EP0995100A1 - Procede pour determiner la masse volumique d'un gaz - Google Patents

Procede pour determiner la masse volumique d'un gaz

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EP0995100A1
EP0995100A1 EP98935091A EP98935091A EP0995100A1 EP 0995100 A1 EP0995100 A1 EP 0995100A1 EP 98935091 A EP98935091 A EP 98935091A EP 98935091 A EP98935091 A EP 98935091A EP 0995100 A1 EP0995100 A1 EP 0995100A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
pressure
density
enclosure
studied
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98935091A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe Cornil
Michel Cotterchio
Frédéric Vulovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Engie SA
Original Assignee
Gaz de France SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Gaz de France SA filed Critical Gaz de France SA
Publication of EP0995100A1 publication Critical patent/EP0995100A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/26—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by measuring pressure differences
    • G01N9/266—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by measuring pressure differences for determining gas density
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/32—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by using flow properties of fluids, e.g. flow through tubes or apertures

Definitions

  • the present invention relates to a method and associated device for determining the normal density (or density) of a gas.
  • normal atmospheric pressure the pressure that prevails at sea level, that is 1013.25 millibars.
  • density will be used to define the density of the gas studied reduced to normal conditions of temperature and pressure (otherwise called normal density), that is to say to the normal atmospheric pressure already mentioned. and at a temperature of 273.15 ° K.
  • Measuring the density (or density) of a gas is currently useful, either to locally know the variation in the composition of the gas delivered, or to improve the calculation of the flow rate passing through metering equipment of the counter type. gas, in particular for domestic or industrial distribution.
  • a device of this type commonly called a "Schilling densimeter” comprising a tank filled with water in which a test tube is immersed, open at its lower part and provided, at its upper part, with a gas supply inlet and a drain outlet fitted with a calibrated orifice.
  • the test tube is filled with the gas to be studied which is then above the water.
  • the gas being in contact with water since it is injected into or above it (but it must be above it once fully injected) before purging the test tube, it is saturated with water, which, on the one hand can slightly modify its mass density, and on the other hand requires a dehydration step before it can be used.
  • the object of the invention is to provide a solution to at least some of the drawbacks mentioned above and in particular proposes a method and an associated device which can be implemented under commercially attractive conditions, without exorbitant manufacturing and / or maintenance costs. , while also offering flexibility of use, performance (especially precision and reproducibility) and reliability adapted to current needs. Finally, another object of the invention is to eliminate the influence of the compressibility factor of the desired gas.
  • the invention therefore relates to a method for determining the density of a gas comprising the following steps: a) filling and putting at an initial pressure higher than normal atmospheric pressure, using pressurized supply means , a closed enclosure of determined volume capable of withstanding the pressure without significant deformation, with a gas whose density we want to determine or verify, until said gas occupies the entire volume of the enclosure and is maintained substantially at said initial pressure, b) at least a portion of said gas is allowed to escape through the purge means communicating with the enclosure and provided with a sonic nozzle, and the time is measured using time taken by the gas to pass, inside the enclosure, from a first pressure less than or equal to the initial pressure to a second pressure less than this first pressure but greater than or equal to normal atmospheric pressure, said pressures being measured using pressure measuring means, c) the density of said gas studied is calculated by calculation by means of a general formula taught by theory stored in the memory of a computer and involving said time measured, the temperature of the gas measured using temperature measuring means, and a constant stored in the
  • the precision on the determination of the density of the gas studied will be better because the constant k will be more precise.
  • the first pressure is preferably lower or equal to 4 bars, preferably substantially equal to '3 bars, and the second pressure is preferably between about 1.2 bar and 3 bar, and preferably substantially equal to 2 bars.
  • the enclosure can preferably be heated before the gas escapes from it and / or for at least part of the time during which it escapes, at a temperature of between approximately 40 and 80 ° C, and preferably between about 50 and 70 ° C, and this using heating means.
  • a temperature of between approximately 40 and 80 ° C, and preferably between about 50 and 70 ° C, and this using heating means can be heated before the gas escapes from it and / or for at least part of the time during which it escapes, at a temperature of between approximately 40 and 80 ° C, and preferably between about 50 and 70 ° C, and this using heating means.
  • the invention also relates to a device implementing the method described for determining the density of a gas comprising:
  • pressure supply means for filling said enclosure with the gas studied at an initial pressure greater than normal atmospheric pressure, and for maintaining it substantially at this initial pressure before it escapes from it,
  • - purge means communicating with the enclosure and provided with a sonic nozzle to let escape from the enclosure at least a portion of said gas through said nozzle, - timing means for measuring the time taken by the gas to exit the enclosure by passing through the nozzle passing, inside the enclosure, from a first pressure less than or equal to the initial pressure to a second pressure less than the first pressure and greater than or equal to the normal atmospheric pressure, means for measuring pressure and temperature prevailing inside the enclosure,
  • a memory computer to determine by calculation the density of the gas using a general formula taught by the theory stored in its memory and involving said time measured by the timing means, the temperature of the studied gas measured at using the temperature measurement means, and a constant k stored in the computer memory and established by calibrating said computer, using a reference gas whose density is known.
  • the device will preferably further comprise means for heating the enclosure before the gas escapes from it and / or for at least part of the time during which it escapes, to a temperature between approximately 40 and 80 ° C., and preferably between approximately 50 and 70 ° C.
  • This solution also makes it possible to reduce the uncertainties on the calculation of the density of the gas, and therefore to optimize the operation of the device.
  • this solution does not require the use of very powerful heating means given the temperature to be obtained, which must not be too high to avoid any risk of combustion of the gas and explosion.
  • FIG. 1 is a detail view of a sonic nozzle used in the device of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a device 10 comprising first of all a closed enclosure 12 of determined volume capable of withstanding the pressure without significant deformation (that is to say without inflating under said pressure, or deflating under a vacuum), this pressure can go up to several bars (preferably at least 10 bars, or even more if it is fitted with a safety valve).
  • This enclosure 12 which can for example be made of steel or aluminum, is surrounded by heating means 56, such an electrical resistance, a spiral hot water circuit, a water bath or any other equivalent means supplied by any type of source (electric, gas, sun, etc.), said heating means 56 being preferably isolated from the exterior, for example by rock wool (not shown).
  • This enclosure 12 is connected to means 20 for supplying pressurized gas comprising for example a bottle 22 of pressurized gas, a pipe 24 and a supply valve 26, although it is possible to directly connect the enclosure 12 to the natural gas network, which then acts as a supply means 20 (in this case the valve 26 is excluded from said means).
  • the enclosure 12 is also connected to means 30 for purging the latter comprising for example a pipe 32 and a drain valve 34. Between the pipe 32 and the enclosure 12 there is a sonic nozzle 40 of known type and generally used to calculate the flow rate of a gas and to serve as a flow reference. Without going into details, and as can be seen in FIG.
  • this nozzle takes the form of a convergent 42 in the shape of a pavilion (so-called "toric" shape) followed by a neck 45 then a divergent 48 with conical section.
  • Its shape, and in particular the section of its neck is defined by the pressure conditions upstream (AM) and downstream (AV) thereof.
  • AM upstream
  • AV downstream
  • the ratio between the downstream pressure (the pressure leaving the sonic nozzle, therefore in the drain pipe) and the upstream pressure (here the pressure in the enclosure) should preferably be less than or equal to 0.80.
  • the internal surface condition of the nozzle 40, and in particular of the neck 45 must be perfect to avoid having an excessively "thick" boundary layer. "which would degrade the accuracy of the device's uncertainty.
  • Means 52 for measuring the temperature T of the gas inside the enclosure of known type (for example a probe), and means 54 for measuring the pressure P inside the enclosure (of the type pressure switch or transmitter) are also connected to enclosure 12 and transmit their information to a memory computer 60, which preferably operates in automatic acquisition mode.
  • This computer 60 collects the operating conditions of the device 10 (pressure P and temperature T prevailing inside the enclosure), and includes timing means 70, either internal such as an electronic clock, or external and connected to this, such as a chronograph or equivalent.
  • ⁇ t the time measured in seconds between the instant when the gas studied passes through the enclosure from the first pressure PI to the second pressure P2.
  • This device 10 is very simple and firstly includes a calibration procedure to determine the constant k used in the formula for calculating the density of the gas studied.
  • the enclosure 12 being closed, of determined volume and not being able to deform under pressure, there is introduced therein, by means of the pressure supply means, a reference gas whose physical characteristics are known. and chemical, and in particular the density noted pref, and this at an initial pressure Pi higher than the normal atmospheric pressure (typically 1013.25 millibars at sea level).
  • a neutral gas such as methane
  • the enclosure 12 can be heated before the reference gas escapes from the enclosure and / or during at least part of the time during which it escapes, at a temperature T of between approximately 40 and 80 ° C, for example at 60 ° C, using the heating means 56.
  • the purge means 30 are opened (in particular the valve 64) and the time ⁇ t taken by this reference gas to exit the enclosure 12 by crossing the sonic nozzle 40 at the speed of sound while passing is measured using timing means 70 , inside said enclosure 12, from a first pressure PI less than or equal to the initial pressure Pi to a second pressure P2 less than said pressure PI but greater than or equal to normal atmospheric pressure.
  • the initial filling pressure will be approximately 3 to 5 bars, and typically substantially equal to 3.5 bars
  • the first pressure PI will preferably be less than or equal to 4 bars, and typically substantially equal to 3 bars
  • the second pressure P2 will preferably be between approximately 1.2 and 3 bars, and typically substantially equal to 2 bars.
  • the time measured will be long enough (about 1 minute to go from 3 to 2 bars) to allow the computer to determine k with precision.
  • This time ⁇ t is stored in the computer 60, as well as the density preferably of said reference gas. Using the above-mentioned formula, we deduce the constant k with an accuracy of the order of 2 per thousand (2% o).
  • the measurement can be repeated several times under the same conditions to obtain an average value and a standard deviation making it possible to determine the uncertainty on the measurement of k.
  • T temperature conditions
  • P2 and PI differ, the time taken by the gas to pass in the enclosure from PI to P2 will be slightly different. In reality, even if this constant k varies little as a function of the pressure, a slightly different constant k will be obtained for each type of pressure condition (PI and P2) used to carry out the calibration.
  • the device 10 has been calibrated as described above and that a constant k is available.
  • the enclosure 12 being completely purged, a gas is introduced into it, using the means 20 for supplying under pressure, for which one wishes to determine or verify the density, denoted p.
  • the supply valve 26 is opened so that the gas stored in the bottle 22 comes to completely fill the enclosure 12 at a pressure Pi greater than the normal atmospheric pressure, and preferably identical to that used to calibrate the computer. 60 (i.e. 3.5 bars).
  • the supply valve 26 is then closed. If the enclosure has been heated during the calibration procedure, it is advisable (but it is not compulsory) to do the same when determining the density of the gas studied, i.e.
  • the purge valve 34 is then opened and the studied gas is allowed to escape from the enclosure 12 through the sonic nozzle 40 at the speed of sound (at the passage of its neck 45) where it undergoes an isentropic transformation.
  • the time ⁇ t taken by this gas to pass, inside the enclosure 12, of a first pressure PI less than or equal to, is then measured, using timing means 70. the initial pressure Pi at a second pressure P2 lower than said pressure PI but greater than or equal to normal atmospheric pressure.
  • one will choose to measure the time taken by the gas studied to pass inside the enclosure 12, of the same pressure PI as that used in the calibration procedure, at the same pressure P2 as that used in the calibration procedure, i.e. from 3 to 2 bars, in order to obtain a more precise measurement of the density of the gas studied.
  • the timing means 70 are integrated into the computer 60 so as to be triggered automatically when the information coming from the pressure measurement means 54 informs said computer 60 that the gas pressure in the enclosure 12 is at PI (on), then goes to P2 (off).
  • the influence of the compressibility factor is thus negligible or even zero.
  • the device thus described can also function as a hydrometer. Indeed, as soon as the density of the gas studied is known, it suffices to relate this value to the density of the air in the case where air has been used for the calibration of the computer and the determination of k.
  • this device and its associated method are very reliable, simple to use, with a simple and short calibration procedure, and make it possible to quickly determine or verify the density of a studied gas, or its variation over time.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour déterminer la masse volumique normale d'un gaz. Pour cela, on remplit et on met à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens (20) d'alimentation sous pression, une enceinte (12) pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique; on laisse s'échapper ledit gaz au travers de moyens de purge (30) munis d'une tuyère sonique (40), et on mesure le temps DELTA t mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte (12), d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi, à une seconde pression P2 inférieure à cette première pression P1, on détermine par calcul la masse volumique rho du gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur (60) et faisant intervenir ledit temps DELTA t mesuré, la température T du gaz, et une constante k établie par étalonnage du calculateur (60) à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.

Description

PROCEDE POUR DETERMINER LA MASSE VOLUMIQUE D'UN GAZ
La présente invention concerne un procédé et un dispositif associé pour déterminer la masse volumique normale (ou la densité) d'un gaz. A toutes fins utiles, on définira sous le terme "pression atmosphérique normale", la pression qui règne au niveau de la mer, soit 1013,25 millibars. De même, on utilisera le terme "masse volumique" pour définir la masse volumique du gaz étudié ramenée aux conditions normales de température et de pression (autrement appelée masse volumique normale), c'est-à-dire à la pression atmosphérique normale déjà citée et à une température de 273,15 °K.
La mesure de la masse volumique (ou de la densité) d'un gaz est actuellement utile, soit pour connaître localement la variation de la composition du gaz délivré, soit pour améliorer le calcul du débit transitant par un appareillage de comptage de type compteur à gaz, en particulier pour une distribution domestique ou industrielle.
On connaît déjà un dispositif de ce type appelé couramment "densimètre de Schilling" comprenant une cuve replie d'eau dans laquelle plonge une éprouvette ouverte à sa partie inférieure et munie, à sa partie supérieure, d'une entrée d'alimentation en gaz et d'une sortie de purge munie d'un orifice calibré. L'éprouvette est remplie du gaz à étudier qui se trouve alors au-dessus de l'eau. On mesure le temps tg mis par l'eau, remontant en chassant le gaz par l'orifice calibré (à l'endroit duquel ledit gaz subit une transformation isenthalpique du type détente de Joule-Thompson), pour remonter en passant entre deux traits a et b (a étant plus bas que b) tracés sur la paroi de l'éprouvette. Bien sûr, on aura déterminé auparavant avec de l'air, dont la densité vaut 1, le temps ta mis par l'eau pour passer devant lesdits traits a et b dans les mêmes conditions de pression et de température. On obtient alors la densité d du gaz étudié par la relation : t≈ g/ Mais ce densimètre fonctionne à une pression proche de la pression atmosphérique normale (quelques millibars au-dessus) et utilise une colonne d'eau encombrante pour déterminer le volume de gaz à faire transiter au travers de l'orifice calibré (volume déterminé par les deux traits a et b de l'éprouvette). De plus, ce volume, la pression et la température du gaz à mesurer sont constants. Ce dispositif est aussi peu maniable (lourd et encombrant) et demande beaucoup de maintenance (nettoyage, ). Enfin, le gaz étant au contact de l'eau puisqu'il est injecté dans ou au-dessus d'elle (mais il se trouve obligatoirement au-dessus d'elle une fois totalement injecté) avant de purger l'éprouvette, celui-ci est saturé d'eau, ce qui, d'une part peut modifier légèrement sa masse densité, et d'autre part nécessite une étape de déshydratation avant de pouvoir l'exploiter.
L'invention a pour objet d'apporter une solution à certains au moins des inconvénients cités précédemment et propose en particulier un procédé et un dispositif associé pouvant être mis en oeuvre dans des conditions commercialement intéressantes, sans coûts de fabrication et/ ou de maintenance exorbitants, tout en offrant également une souplesse d'utilisation, des performances (notamment de précision et de reproductibilité) et une fiabilité adaptées aux nécessités actuelles. Enfin, un autre but de l'invention est de supprimer l'influence du facteur de compressibilité du gaz recherché.
L'invention concerne donc un procédé pour déterminer la masse volumique d'un gaz comprenant les étapes suivantes : a) on remplit et on met à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens d'alimentation sous pression, une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, jusqu'à ce que ledit gaz occupe tout le volume de l'enceinte et soit maintenu sensiblement à ladite pression initiale, b) on laisse s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique, et on mesure, à l'aide de moyens de chronométrage, le temps mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à cette première pression mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, lesdites pressions étant mesurées à l'aide de moyens de mesure de pression, c) on détermine par calcul la masse volumique dudit gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur et faisant intervenir ledit temps mesuré, la température du gaz mesurée à l'aide de moyens de mesure de température, et une constante stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
Avantageusement, pour déterminer la masse volumique du gaz étudié, on travaillera dans les mêmes conditions de pression, et éventuellement de température, que celles utilisées pour déterminer la constante par étalonnage du calculateur. Ainsi, la précision sur la détermination de la masse volumique du gaz étudié sera meilleure car la constante k sera plus précise.
Selon une considération complémentaire, pour calculer la masse volumique du gaz étudié, on utilisera de préférence la formule suivante : p = k * T * (Δt)2 avec p, la masse volumique du gaz en kg/ m3, k, une constante définie lors de l'étalonnage,
T, la température du gaz, en °K, et
Δt, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression à la seconde pression. Cette formule simple fait donc intervenir une constante établie par étalonnage du calculateur et des grandeurs caractéristiques obtenues facilement à l'aide des moyens prévus à cet effet. Enfin, comme on peut le voir, on s'affranchit d'utiliser le facteur de compressibilité qui n'a donc ici pas d'influence sur le résultat final. La détermination de la masse volumique du gaz étudié peut donc facilement être automatisée pour permettre de connaître l'évolution de la composition de celui-ci dans le temps, ou pour déterminer successivement la masse volumique de différents gaz.
Selon une autre considération, la première pression sera de préférence inférieure ou égale à 4 bars, et de préférence sensiblement égale à ' 3 bars, et la seconde pression sera de préférence comprise entre environ 1,2 bars et 3 bars, et de préférence sensiblement égale à 2 bars.
Ce choix quant aux pressions de début et de fin de mesure du temps d'écoulement du gaz permet d'obtenir un temps d'écoulement suffisamment important (de l'ordre de la minute) pour déterminer la masse volumique du gaz étudié avec une bonne précision. De plus, ces conditions sont fixes et facilement reproductibles.
Plus les pressions du gaz étudié sont faibles (tout en restant dans des valeurs permettant de faire fonctionner le dispositif, et en particulier d'obtenir un temps d'écoulement proche de la minute), plus le calcul de la masse volumique est précis car l'incertitude sur le facteur k est réduite. De plus, ce choix de pressions est aussi dicté par des impératifs techniques liés au bon fonctionnement de la tuyère sonique et aux différents moyens de mesure choisis (capteur de pression notamment). Enfin, ce procédé permet d'éliminer l'influence du facteur de compressibilité z.
Selon une autre considération, on pourra chauffer de préférence l'enceinte avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température comprise entre environ 40 et 80°C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70°C, et ce à l'aide de moyens de chauffage. De cette façon, la détermination de la masse volumique du gaz étudié est encore optimisée, car on réduit les incertitudes de calcul sans modifier la vitesse d'écoulement du gaz au col de la tuyère sonique.
L'invention concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre le procédé décrit pour déterminer la densité d'un gaz comprenant :
- une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable,
- des moyens d'alimentation sous pression pour remplir ladite enceinte du gaz étudié à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, et pour le maintenir sensiblement à cette pression initiale avant qu'il ne s'échappe de celle-ci,
- des moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique pour laisser s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de ladite tuyère, - des moyens de chronométrage pour mesurer le temps mis par le gaz pour sortir de l'enceinte en traversant la tuyère en passant, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à la première pression et supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, - des moyens de mesure de pression et de température régnant à l'intérieur de l'enceinte,
- un calculateur à mémoire pour déterminer par calcul la masse volumique du gaz à l'aide d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans sa mémoire et faisant intervenir ledit temps mesuré par les moyens de chronométrage, la température du gaz étudié mesurée à l'aide des moyens de mesure de température, et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
Cette solution permet en particulier de s'affranchir de l'utilisation d'une colonne d'eau, ce qui rend le dispositif moins encombrant, plus simple d'utilisation et plus fiable. Les moyens de mesures utilisés sont simples, et permettent d'obtenir un résultat dont l'incertitude est inférieure à 1% d'erreur. De plus, le dispositif disposant d'un étalon fixé à la construction, il est moins sensible aux erreurs de mesures et aux approximations, la référence étant toujours la même.
Selon une première considération, le dispositif comprendra en outre de préférence des moyens pour chauffer l'enceinte avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température comprise entre environ 40 et 80°C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70°C.
Cette solution permet encore de réduire les incertitudes sur le calcul de la masse volumique du gaz, et donc d'optimiser le fonctionnement du dispositif. De plus cette solution ne nécessite pas d'utiliser des moyens de chauffage très puissant compte tenu de la température à obtenir, laquelle ne doit pas être trop élevée pour éviter tout risque de combustion du gaz et d'explosion.
L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un dispositif conforme à la présente invention, et
- la figure 2 est une vue de détail d'une tuyère sonique utilisée dans le dispositif de la figure 1.
La figure 1 montre un dispositif 10 comprenant tout d'abord une enceinte 12 close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable (c'est-à-dire sans se gonfler sous ladite pression, ou se dégonfler sous une dépression), cette pression pouvant aller jusqu'à plusieurs bars (de préférence au moins 10 bars, voire plus si elle est munie d'une soupape de sécurité). Cette enceinte 12, qui peut par exemple être en acier ou en aluminium, est entourée par des moyens de chauffage 56, tels qu'une résistance électrique, un circuit d'eau chaude en spirale, un bain marie ou tout autre moyen équivalent alimenté par tout type de source (électrique, gaz, soleil, etc.), lesdits moyens de chauffage 56 étant de préférence isolés de l'extérieur, par exemple par de la laine de roche (non représentée). Cette enceinte 12 est connectée à des moyens 20 d'alimentation sous pression en gaz comprenant par exemple une bouteille 22 de gaz sous pression, une conduite 24 et une vanne d'alimentation 26, bien qu'il soit possible de relier directement l'enceinte 12 au réseau de gaz naturel, lequel fait alors office de moyen d'alimentation 20 (dans ce cas la vanne 26 est exclue desdits moyens). L'enceinte 12 est aussi connectée à des moyens 30 de purge de celle-ci comprenant par exemple une conduite 32 et une vanne de vidange 34. Entre la conduite 32 et l'enceinte 12 se trouve une tuyère sonique 40 de type connu et généralement utilisée pour le calcul du débit d'un gaz et pour servir de référence de débit. Sans entrer dans les détails, et comme on peut le voir sur la figure 2, cette tuyère prend la forme d'un convergent 42 en forme de pavillon (forme dite "torique") suivi d'un col 45 puis d'un divergent 48 à section conique. Sa forme, et en particulier la section de son col (de préférence parfaitement circulaire) est définie par les conditions de pression en amont (AM) et en aval (AV) de celle-ci. Ainsi, pour obtenir une vitesse sonique et une transformation isentropique (détente) au passage de ce col 45, le rapport entre la pression aval (la pression en sortie de la tuyère sonique, donc dans la conduite de vidange) et la pression amont (ici la pression dans l'enceinte) doit être de préférence inférieur ou égal à 0,80. De même, l'état de surface interne de la tuyère 40, et en particulier du col 45 (dont le diamètre peut être de l'ordre du dixième de millimètre), doit être parfait pour éviter d'avoir une couche limite trop "épaisse" qui dégraderait la précision de l'incertitude du dispositif.
Des moyens 52 de mesure de la température T du gaz à l'intérieur de l'enceinte de type connu (par exemple une sonde), et des moyens 54 de mesure de la pression P à l'intérieur de l'enceinte (de type pressostat ou transmetteur) sont aussi reliés à l'enceinte 12 et transmettent leurs informations à un calculateur 60 à mémoire, lequel fonctionne de préférence en mode d'acquisition automatique. Ce calculateur 60 recueille les conditions de fonctionnement du dispositif 10 (pression P et température T régnant à l'intérieur de l'enceinte), et comprend des moyens 70 de chronométrage, soit internes telle qu'une horloge électronique, soit externes et reliés à celui-ci, tels qu'un chronographe ou équivalent. Ce calculateur 60 stocke dans sa mémoire une constante k déterminée par étalonnage (voir la procédure ci- après), une formule de réactualisation de ladite constante en fonction des conditions de pressions utilisées après étalonnage, et une formule générale enseignée par la théorie (en particulier en utilisant l'équation des tuyères soniques) faisant intervenir cette constante k (actualisée si besoin) et permettant de déterminer la masse volumique p du gaz étudié, laquelle formule est alors de la forme : p = k * T * (Δt)2 avec p, la masse volumique du gaz en kg/ m3, k, une constante déterminée par étalonnage,
T, la température du gaz, en °K, et
Δt, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression PI à la seconde pression P2.
Le fonctionnement de ce dispositif 10 est très simple et comprend tout d'abord une procédure d'étalonnage pour déterminer la constante k utilisée dans la formule de calcul de la masse volumique du gaz étudié.
Pour cela, l'enceinte 12 étant close, de volume déterminé et ne pouvant pas se déformer sous la pression, on y introduit, à l'aide des moyens 20 d'alimentation sous pression, un gaz de référence dont on connaît les caractéristiques physiques et chimiques, et en particulier la masse volumique notée préf, et ce à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale (typiquement 1013,25 millibars au niveau de la mer). Dans le cas d'une utilisation du dispositif pour déterminer la masse volumique du gaz naturel, il sera plus judicieux de choisir comme gaz de référence un gaz neutre tel que le méthane, ce gaz étant proche du gaz naturel. On ferme les moyens 20 d'alimentation de sorte que le gaz de référence soit maintenu sensiblement à la pression Pi. Eventuellement, on peut chauffer l'enceinte 12 avant que le gaz de référence ne s'échappe de l'enceinte et/ ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température T comprise entre environ 40 et 80°C, par exemple à 60°C, à l'aide des moyens de chauffage 56. On ouvre les moyens 30 de purge (en particulier la vanne 64) et on mesure, à l'aide de moyens de chronométrage 70, le temps Δt mis par ce gaz de référence pour sortir de l'enceinte 12 en traversant la tuyère sonique 40 à la vitesse du son en passant, à l'intérieur de ladite enceinte 12, d'une première pression PI inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à ladite pression PI mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale. De préférence, afin d'obtenir des résultats optimisés, la pression initiale de remplissage sera d'environ 3 à 5 bars, et typiquement sensiblement égale à 3,5 bars, la première pression PI sera de préférence inférieure ou égale à 4 bars, et typiquement sensiblement égale à 3 bars, et la seconde pression P2 sera de préférence comprise entre environ 1,2 et 3 bars, et typiquement sensiblement égale à 2 bars. De cette façon, le temps mesuré sera suffisamment long (environ 1 minute pour passer de 3 à 2 bars) pour permettre au calculateur de déterminer k avec précision. On stocke ce temps Δt dans le calculateur 60, ainsi que la masse volumique préf dudit gaz de référence. A l'aide de la formule citée précédemment, on en déduit la constante k avec une précision de l'ordre de 2 pour mille (2%o). On peut réitérer la mesure plusieurs fois dans les mêmes conditions pour obtenir une valeur moyenne et un écart type permettant de déterminer l'incertitude sur la mesure de k. On peut aussi faire d'autres mesures de temps avec d'autres conditions de température (T) pour obtenir une constante k sensiblement identique, l'influence de la température étant extrêmement faible et ne jouant que sur la précision de son calcul. Par contre, si les conditions de pression P2 et PI diffèrent, le temps mis par le gaz pour passer dans l'enceinte de PI à P2 sera légèrement différent. En réalité, même si cette constante k varie peu en fonction de la pression, on obtiendra une constante k légèrement différente pour chaque type de conditions de pression (PI et P2) utilisées pour réaliser l'étalonnage. Par conséquent, afin de prévoir les cas où la procédure d'étalonnage et la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié ne se font pas aux mêmes conditions de pression, il pourra être utile de réactualiser la constante k (ceci pourra être fait automatiquement par le calculateur) comme on va le voir dans la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié qui va maintenant être décrite.
Tout d'abord, on considère que le dispositif 10 a été étalonné de la façon décrite précédemment et que l'on dispose d'une constante k. L'enceinte 12 étant complètement purgée, on introduit dans celle-ci, à l'aide des moyens 20 d'alimentation sous pression, un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, notée p. En particulier, on ouvre la vanne d'alimentation 26 de sorte que le gaz stocké dans la bouteille 22 vienne remplir totalement l'enceinte 12 à une pression Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, et de préférence identique à celle utilisée pour étalonner le calculateur 60 (c'est-à-dire 3,5 bars). On ferme alors la vanne 26 d'alimentation. Si l'enceinte a été chauffée pendant la procédure d'étalonnage, il est conseillé (mais ce n'est pas obligatoire) d'en faire de même lors de la détermination de la masse volumique du gaz étudié, c'est-à- dire dans notre cas de chauffer l'enceinte à environ 60°C. On ouvre alors la vanne de purge 34 et on laisse le gaz étudié s'échapper de l'enceinte 12 au travers de la tuyère sonique 40 à la vitesse du son (au passage de son col 45) où il subit une transformation isentropique. On mesure alors, à l'aide des moyens de chronométrage 70, le temps Δt mis par ce gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte 12, d'une première pression PI inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à ladite pression PI mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale.
Avantageusement, on choisira de mesurer le temps mis par le gaz étudié pour passer à l'intérieur de l'enceinte 12, de la même pression PI que celle utilisée dans la procédure d'étalonnage, à la même pression P2 que celle utilisée dans la procédure d'étalonnage, c'est-à-dire de 3 à 2 bars, et ce afin d'obtenir une mesure plus précise de la masse volumique du gaz étudié.
Même si les conditions de pressions sont différentes entre l'étalonnage et la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié, la constante k établie par étalonnage pourra quand même être utilisée sans être actualisée, mais la précision sur la détermination de la masse volumique du gaz étudié sera moins bonne que si l'on travaille toujours aux mêmes pressions.
Ainsi, il pourra être utile, dans le cas où ces conditions de pressions PI et P2 sont différentes (tout en restant compatibles avec le fonctionnement du dispositif), de "réactualiser la constante k utilisée dans la formule générale à l'aide du calculateur et d'une autre formule expérimentale stockée dans sa mémoire, laquelle formule faisant intervenir le facteur k calculé par étalonnage ainsi que les conditions de pression d'étalonnage et les conditions de pression de détermination de la masse volumique du gaz étudié. De cette façon, la constante k réactualisée sera plus précise, et correspondra réellement aux conditions de pression utilisées. Le choix d'actualiser ou non la constante dépendra de la précision de calcul voulue et des conditions expérimentales de pression disponibles pour utiliser le dispositif, en particulier si celui-ci est vendu déjà étalonné dans de conditions fixées que l'utilisateur ne peut pas reproduire.
De préférence, les moyens 70 de chronométrage sont intégrés au calculateur 60 de façon à se déclencher automatiquement lorsque les informations provenant des moyens 54 de mesure de pression informent ledit calculateur 60 que la pression du gaz dans l'enceinte 12 est à PI (mise en marche), puis passe à P2 (arrêt).
Connaissant la température T du gaz, le temps Δt mesuré pour passer de la pression PI à la pression P2, et la constante k (réactualisée si besoin), le calculateur 60 peut alors déterminer, par calcul, la masse volumique p du gaz étudié à l'aide de la formule déjà citée (p = k * T * (Δt)2), et ce avec une précision (incertitude) proche de 1%, voire même inférieure (proche de 0,5%). L'influence du facteur de compressibilité est ainsi négligeable voire nulle. II est évident que le dispositif ainsi décrit peut aussi fonctionner en tant que densimètre. En effet, dès lors que la masse volumique du gaz étudié est connue, il suffit de rapporter cette valeur à la masse volumique de l'air dans le cas où l'on aura utilisé l'air pour l'étalonnage du calculateur et la détermination de k. Ainsi, ce dispositif et son procédé associé sont très fiables, simples à utiliser, avec une procédure d'étalonnage simple et courte, et permettent de déterminer ou vérifier rapidement la masse volumique d'un gaz étudié, ou sa variation dans le temps.

Claims

Revendications
1. Procédé pour déterminer la masse volumique normale d'un gaz comprenant les étapes suivantes : a) on remplit et on met à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens (20) d'alimentation sous pression, une enceinte (12) close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, jusqu'à ce que ledit gaz occupe tout le volume de l'enceinte (12) et soit maintenu sensiblement à ladite pression initiale Pi, b) on laisse s'échapper de l'enceinte (12) au moins une partie dudit gaz au travers de moyens de purge (30) communiquant avec l'enceinte (12) et munis d'une tuyère sonique (40), et on mesure, à l'aide de moyens (52) de chronométrage, le temps Δt mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression PI inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à cette première pression PI mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, lesdites pressions étant mesurées à l'aide de moyens ( 54) de mesure de pression, c) on détermine par calcul la masse volumique p dudit gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur (60) et faisant intervenir ledit temps Δt mesuré, la température T du gaz mesurée à l'aide de moyens de mesure de température (52) , et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur (60) et établie par étalonnage dudit calculateur (60) à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour déterminer la masse volumique p du gaz étudié, on travaille dans les mêmes conditions de pressions PI et P2, et éventuellement de température T que celles utilisées pour déterminer la constante k par étalonnage du calculateur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour calculer la masse volumique p du gaz étudié, on utilise la formule suivante : p = k * T * (Δt)2 avec p, la masse volumique du gaz en kg/ m3, k, une constante établie par étalonnage, T, la température du gaz, en °K, et
Δt, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression à la seconde pression.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pression PI est inférieure ou égale à 4 bars, et de préférence sensiblement égale à 3 bars, et la seconde pression P2 est comprise entre environ 1,2 bars et 3 bars, et de préférence sensiblement égale à 2 bars.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on chauffe l'enceinte (12) avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température T comprise entre environ 40 et 80°C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70°C, et ce à l'aide de moyens de chauffage (56).
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