EP4162521A1 - Installation et procédé de distribution d'un mélange de gaz - Google Patents

Installation et procédé de distribution d'un mélange de gaz

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Publication number
EP4162521A1
EP4162521A1 EP21729523.7A EP21729523A EP4162521A1 EP 4162521 A1 EP4162521 A1 EP 4162521A1 EP 21729523 A EP21729523 A EP 21729523A EP 4162521 A1 EP4162521 A1 EP 4162521A1
Authority
EP
European Patent Office
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gas
flow
flow rate
setpoint
gas mixture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21729523.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Vanina TODOROVA
Hervé Dulphy
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.)
Air Liquide Electronics Systems SA
Original Assignee
Air Liquide Electronics Systems SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide Electronics Systems SA filed Critical Air Liquide Electronics Systems SA
Publication of EP4162521A1 publication Critical patent/EP4162521A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
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    • B01F35/2201—Control or regulation characterised by the type of control technique used
    • B01F35/2202—Controlling the mixing process by feed-back, i.e. a measured parameter of the mixture is measured, compared with the set-value and the feed values are corrected
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    • B01F35/211—Measuring of the operational parameters
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    • B01F35/221—Control or regulation of operational parameters, e.g. level of material in the mixer, temperature or pressure
    • B01F35/2211—Amount of delivered fluid during a period
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    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67017—Apparatus for fluid treatment

Definitions

  • the present invention relates to an installation for distributing a gas mixture intended for use by a gas consuming unit.
  • the installation allows distribution of the mixture directly to the site of use as well as an adjustment of the mixture flow rate produced by the installation according to the flow rate consumed by the consumer unit.
  • the invention also relates to a method for distributing a mixture using such an installation.
  • an installation and a method according to the invention are intended to distribute mixtures of pure gases or of premixes of gases, in particular to distribute mixtures of gases extracted from air, such as nitrogen, argon. , oxygen, helium, hydrogen, hydrocarbons such as propane.
  • air such as nitrogen, argon. , oxygen, helium, hydrogen, hydrocarbons such as propane.
  • gas consuming unit can mean both a single consuming entity and several entities supplied in parallel by the gas mixture, in particular several entities arranged downstream of a junction box.
  • gas mixtures are packaged in compressed or liquefied form in gas cylinders.
  • the filling of a gas cylinder is carried out in sequential mode, the constituents of the mixture being introduced one after the other into the cylinder.
  • the quantity of gas introduced into the bottle is checked, either by monitoring the pressure in the bottle during and after the introduction of the constituent, or by weighing the bottle during the introduction of the constituent.
  • Such an installation for conditioning gas mixtures is described in particular in document WO2010 / 031940A1.
  • the maximum tolerance for variation of the effective values of the concentrations from the target values may be 10% (% relative), or even 5% or even less. Such tolerances are all the more difficult to comply with as the number of constituents is large and / or as their contents are low.
  • current conditioning methods may prove insufficient.
  • the manometric conditioning by pressure control offers a precision which is intrinsically limited by the precision of the pressure sensor and by the variations in temperature which influence the calculation of the quantity of gas. Added to the uncertainty in the concentration values of the gas mixture produced are the differences in concentrations between the mixtures packaged in different bottles. Such deviations can significantly vary the results produced by the consuming unit at each bottle change.
  • Gravimetric conditioning by weighing the constituents offers greater precision on the composition of the mixture but still requires a step-by-step process with filling of bottles.
  • the blends are bottled in packaging centers specially designed for this type of operation.
  • the bottles must then be transported to their site of use, which requires dedicated logistics. Constraints related to the transport of dangerous goods can also arise, in particular when it comes to transporting gas mixtures with flammable, pyrophoric, toxic and / or anoxic components.
  • the object of the invention is to overcome all or part of the drawbacks mentioned above, in particular by proposing an installation for distributing a gas mixture making it possible to precisely control the composition of the mixture, while offering continuity and flexibility of distribution. , depending in particular on the needs at the point of consumption of the mixture.
  • the solution of the invention is an installation for distributing a gas mixture comprising:
  • a mixing device fluidly connected to the source of first gas and to the source of second gas, said mixing device being configured to produce at an outlet a gas mixture comprising the first gas and the second gas,
  • a first flow regulator member and a second flow regulator member configured to regulate respectively the flow rate of the first gas and the flow rate of the second gas flowing to the mixing device according to a first flow rate setpoint and a second flow rate setpoint defining in operation, a production flow rate of the gas mixture at the outlet of the mixing device,
  • control unit configured to control the first and second flow regulator members so as to adjust the first flow setpoint and the second flow setpoint according to respective proportions with respect to the production flow, said respective proportions being determined as a function of 'at least a target content of the gas mixture of the first gas and / or the second gas,
  • a buffer tank fluidly connected to the outlet of the mixing device on the one hand and to a distribution line on the other hand, the distribution line being configured to distribute the gas mixture to a consumer unit with a consumption rate representative of '' variable consumption of the gas mixture,
  • the control unit being connected to the measurement sensor and configured to generate a first control signal from the first measurement signal, the flow regulating members being configured to adjust the first flow setpoint and the second flow setpoint in response to said first control signal.
  • the invention may include one or more of the characteristics set out below.
  • the installation comprises a first loop for controlling the first and second flow setpoints on the first measurement signal supplied by the measurement sensor, said first loop comprising:
  • a first comparator arranged within the control unit (5) and configured to generate at least a first error signal from the first measurement signal
  • a first corrector arranged within the control unit, in particular of the proportional, integral and derivative type, and configured to generate the first control signal from the first error signal,
  • the measuring sensor includes a flow sensor or flow meter configured to measure the consumption flow rate.
  • the first comparator is configured to generate at least a first error signal representative of a variation in the consumption flow rate and the first corrector is configured to generate a first control signal controlling a movement of the first and second flow regulating members so that the first and second flow rate setpoints vary in the same direction as that of the flow rate variation.
  • the measurement sensor includes a pressure sensor configured to measure the pressure prevailing in the buffer tank.
  • the first comparator is configured to generate a first error signal representative of a variation in the pressure in the buffer tank and the first corrector is configured to generate at least a first control signal controlling a movement of the first and second flow regulating members so that the first and second flow setpoints vary in a direction opposite to that of the pressure variation.
  • the first comparator is configured to generate at least a first error signal from a comparison of the first measurement signal with at least one parameter chosen from: a low pressure threshold, a high pressure threshold.
  • Each of the first and second flow rate regulating members can move between a closed position in which the first flow setpoint or the second flow setpoint is zero and a fully open position in which the first flow setpoint or the second flow setpoint have respectively a first maximum flow rate value or a second maximum flow rate value, the first and second flow regulating members being able to occupy at least one intermediate position between the closed position and the open position with said intermediate position preferably corresponding to a first setpoint of flow rate or a second flow rate setpoint equal to at least 25%, more preferably at least 35%, of its respective first or second maximum value.
  • the buffer tank has an internal volume equal to at least half of the maximum production rate of the installation.
  • the installation comprises a first analysis unit arranged downstream of the buffer tank and configured to analyze at least one content of the first gas and / or the second gas of the mixture distributed by the supply line.
  • the installation comprises a second analysis unit configured to measure at least one content of the first gas and / or the second gas of the gas mixture produced at the first outlet of the mixing device and to supply consequently at least a second signal of measurement, the control unit being connected to the second analysis unit and configured to generate a second control signal from the second measurement signal and to modify the proportion of the first flow setpoint and / or the proportion of the second flow setpoint relative to the production flow rate in response to said second control signal.
  • the installation includes a second control loop of the respective proportions of the first flow setpoint and / or of the second flow setpoint with respect to the production flow rate on the second measurement signal supplied by the second analysis unit, the second loop comprising:
  • a second comparator arranged within the control unit and configured to generate at least a second error signal from a comparison of the second measurement signal with at least one parameter chosen from: a target content in the first gas, a target content of the second gas,
  • a second corrector arranged within the control unit, in particular of the proportional, integral and derivative type, and configured to generate the second control signal from the second error signal,
  • the actuators of the first and / or second flow regulator members being connected to the second corrector and configured to move the first and / or second flow regulator members in respective positions in which the proportions of the first flow setpoint and / or second flow setpoint relative to the production flow rate comply with the second control signal.
  • the control unit includes a man-machine interface comprising:
  • an input interface in particular a touch screen, configured for input by a user of at least one target content of the first gas and / or of the second gas in the gas mixture
  • At least one calculation rule for calculating, from said target content, the predetermined proportions of the first flow rate instruction and / or of the second flow rate instruction relative to the production flow rate.
  • the installation is located at the place of use of the gas mixture by the consuming unit.
  • the invention relates to a method of distributing a gas mixture comprising the following steps: a. passage of the first gas through a first flow regulator member so as to distribute the first gas with a first flow rate setpoint to a mixing device, b. passage of a second gas through a second flow regulator member so as to distribute the second gas with a second flow rate setpoint to the mixing device, c. production by an outlet of the mixing device of a gas mixture comprising the first gas and the second gas with a production flow rate, d.
  • Fig. 1 shows schematically the operation of an installation according to one embodiment of the invention
  • Fig. 2 schematically shows a first servo loop according to one embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows an example of the change over time of the pressure in the buffer tank and the production flow rate of the installation
  • Fig. 4 shows an example of the change over time of the gas mixture flow rate distributed by an installation according to one embodiment of the invention with the content of a constituent of the mixture measured during this change
  • Fig. 5 represents an enlargement of the curve relating to the measured content of FIG. 3.
  • Figure 1 shows an installation according to the invention comprising a source of first gas 1 and a source of second gas 2.
  • the first gas 1 and the second gas 2 are of different nature. They can be pure, simple or compound substances, or premixes of several pure substances, in particular one pure substance diluted with another.
  • Each of the gas sources can be a gas bottle, typically a bottle that can have a water volume of up to 50 L, a set of bottles connected together to form a frame of bottles or a larger capacity tank, in particular a capacity up to 1000 L, such as a cryogenic storage tank or a tank fitted on a truck-trailer.
  • the sources dispense fluids in the gaseous state. Before distribution, fluids can be stored in the gaseous state, in the liquid state, i. e. liquefied gas or two-phase liquid / gas.
  • Figure 1 illustrates the case where the installation is configured to produce a binary gas mixture, i. e. two-component, from two gas sources.
  • a binary gas mixture i. e. two-component
  • an installation according to the invention could include more than two gas sources and produce mixtures with more than two constituents, in particular mixtures of ternary or quaternary gases.
  • Each of the sources of the first gas and of the second gas is connected by a first pipe 21 and a second pipe 22 to respective first and second flow regulating members 41, 42. These are provided to regulate the flows of the first gas and of the second gas.
  • the pipes 21, 22 meet at a connection point 31 located upstream of the mixing device 3 to form a common portion of pipe connected to an inlet 32 of the device mixer. A mixture of the first and second gases thus enters the device 3 to be further mixed and homogenized therein. Note that it is also possible for the pipes 21, 22 to each open into two separate inlets 32a, 32b of the mixing device 3.
  • each of the pipes 21, 22 is provided with a pressure reducer and a pressure sensor in order to measure and control the pressure prevailing in these. pipelines.
  • the pressures of the first and second gases can each be kept constant, typically at a value between 1 and 10 bar.
  • Each flow rate regulator member 41, 42 can be any means configured to regulate, regulate, adjust the flow rate of a fluid to bring it to a flow rate value closest to the desired value.
  • the flow rate regulating members 41, 42 each comprise a flow rate sensor, or flow meter, associated with an expansion member, such as a valve, for example a valve with proportional adjustment.
  • the valve can be pneumatic or piezoelectric, analog or digital.
  • the valve comprises a movable part, typically at least one shutter, which is placed in the fluid flow and whose movement makes it possible to vary the passage section, and thus to vary the flow to bring it to the set value.
  • the flow regulator members 41, 42 can be mass flow regulators comprising a mass flow sensor and a proportional control valve. Note that even if the regulation is based on a measurement of the mass of fluid, the set and measured flow rate values are not necessarily expressed in mass.
  • a volume flow setpoint can be expressed as a percentage of opening of the proportional control valve, to which corresponds a voltage value to be applied to the control valve of the regulator.
  • the conversion between percentage opening in mass or volume flow value is done by knowing the nominal value of the regulated flow for 100% opening.
  • the valve is piezoelectric.
  • This type of valve offers high precision, good reproducibility, allowing the voltage applied to the valve to be monitored.
  • Such valves are also insensitive to magnetic fields and radiofrequency noise. Their energy consumption is low with minimal heat generation.
  • the metal-to-metal control surface reduces or even eliminates reactions with the gas.
  • the first and second flow regulating members 41, 42 make it possible to regulate respectively the flow of the first gas and the flow of the second gas entering the mixer 3 according to a first flow setpoint D1 and a second flow setpoint D2.
  • the gas mixture leaves with a production flow rate DP which corresponds, in the case of an installation with two gas sources, to the sum of the two flow rates D1 and D2 of first and second gas.
  • the installation comprises for example a source of a third gas
  • the flow rate DP will be the sum of the flow rates D1, D2, D3 regulated by the corresponding flow rate regulating members 41, 42, 43 towards the mixing device 3.
  • the installation according to the invention further comprises a control unit 5 which is connected to the first and second flow regulator members 41, 42 so as to control their operation, in particular so as to adjust the setpoint values D1, D2 for bring them to values which are determined and adapted according to the operating conditions of the installation.
  • the flow regulating members 41, 42 each advantageously comprise a closed loop system which is given flow setpoints by the control unit 5. These setpoints are then compared by the closed loop system with the values. measured by the flow rate regulating members 41, 42 and their positions are adjusted by said system accordingly to send the flow rates as close as possible to D1, D2 to the mixing device 3.
  • control unit 5 comprises a programmable logic controller, also called a “PLC” system for “Programmable Logic Controller” in English, that is to say a control system for an industrial process comprising a man-machine interface. for supervision and a digital communication network.
  • PLC programmable logic controller
  • the PLC system can include several modular controllers which control the subsystems or control equipment of the installation. These devices are each configured to ensure at least one operation among: the acquisition of data from at least one measurement sensor, the control of at least one actuator connected to at least one flow controller unit, the regulation and the slaving of parameters, data transmission between the different equipment of the system.
  • the control unit 5 can thus comprise at least one of: a microcontroller, a microprocessor, a computer.
  • the control unit 5 can be connected to the various control equipment of the installation, in particular to the components flow regulators 41, 42, to the sensor 8, and communicate with said equipment by electrical links, Ethernet, Modbus, etc.
  • Other modes of connection and / or transmission of information are possible for all or part of the equipment of installation, for example by radio frequency links, WIFI, Bluetooth ...
  • the electronic logic 5 calculates a predetermined proportion of the flow rate D1 relative to a production flow rate DP and / or a predetermined proportion of the flow rate D2 relative to DP, i. e. predetermined D1 / DP and / or D2 / DP ratios, as a function of a target C1 content of the gas mixture in the first gas and / or a target C2 content of the gas mixture in the second gas.
  • the electronic logic 5 does not calculate the flow rate of the second gas D2 from a target content C2 in the second gas but regulates D2 by deduction from D1. D2 then corresponds to DP from which D1 is subtracted. Preferably, the electronic logic 5 calculates a predetermined proportion of the flow rate D1 relative to DP from a target content C1 which is that of the minority gas in the mixture.
  • the adjustment of D1 and D2 can be done from respective target contents C1, C2, the third flow rate D3 setpoint in the third gas being deduced from the values of D1 and D2.
  • control unit 5 comprises a man-machine interface 300 comprising an input interface, for example a touch screen, allowing a user to input said at least one target content of the first gas and / or the second gas in the gas mixture.
  • the contents can be expressed as a volume percentage of the first or second gas present in the gas mixture.
  • man-machine interface 300 can allow the user to give instructions to the control unit 5.
  • the flow rate regulators 41, 42 are instructed by the control unit 5 to regulate the flow of the first and second gas to the respective setpoints D1, D2 determined from the target composition for the gas mixture. It is with these flow rates that the first gas and the second gas enter the mixing device 3.
  • the mixing device 3 comprises a common mixing volume into which the inlet (s) and the outlet 33 open and into which the mixture is homogenized. It is possible for example to use a mixer 3 of the static mixer type allowing continuous mixing of the fluids entering the mixer.
  • This type of mixer generally comprises at least one disturbing element, such as a plate, a portion of pipe, an insert, capable of disturbing the flow of fluids, generating pressure drops and / or turbulence to promote the mixing of fluids and its homogenization.
  • a mixture of the first and second gases is therefore produced at the outlet 33 of the mixing device 3 with a production flow rate DP.
  • the flow rates D1 and D2 are conditioned by the flow rate DP and by the desired contents C1, C2 of first and second gas.
  • a problem which arises relates to the distribution of a gas mixture to a consumer unit 10 whose demand for the gas mixture is fluctuating. As a result, the rate of delivery of the gas mixture to point 10 will vary.
  • the present invention proposes to connect the outlet 33 of the mixer 3 to the inlet of a buffer tank 7 via a pipe 23.
  • a distribution line 6 is fluidly connected to an outlet of the buffer tank 7 and makes it possible, in operation, to distribute the gas mixture to the consuming unit 10.
  • the installation can include a vent line 25 fluidly connected to the buffer tank 7 with a vent 15 associated with a valve, useful in the event of overpressure, and to a valve controlling the passage of the mixture to a control unit. gas reprocessing.
  • the valve makes it possible, during the start-up phases of distribution to the consumer unit, to purge the pipes of the installation and the buffer tank 7.
  • the distribution of the gas mixture to the consumer unit 10 therefore takes place from the buffer tank 7 with a DC consumption flow rate corresponding to the mixed consumption of the consumer unit 10.
  • the production flow rate DP upstream of the buffer tank 7 may no longer correspond to the demand for mixing.
  • the buffer tank 7, thanks to the additional volume that it provides on the fluid circuit, makes it possible to ensure distribution at the DC flow rate even if it does not correspond to the DP flow rate.
  • DP is greater than DC
  • the reservoir 7 prevents the gas mixture from being forced towards the distribution line and thus absorbs the overproduction.
  • DP is less than DC, the buffer tank 7 forms a mixture reserve from which the user can draw, for example when consumption starts too quickly with a high consumption rate, which makes it possible to ensure distribution at the DC rate even in a situation of under-production.
  • the installation comprises a measurement sensor 8 which measures a physical quantity whose variation is representative of a variation in the DC consumption flow rate flowing in the distribution line 6 and provides a first measurement signal corresponding to the 'control unit 5.
  • the first measurement signal can comprise several successive measurements carried out by the sensor 8.
  • the unit 5 receives it and generates a first control signal which is transmitted to the flow regulating members 41, 42 of so as to adjust the first flow rate setpoint D1 and the second flow rate setpoint D2 in accordance with the first control signal.
  • the present invention thus makes it possible to recalculate the flow setpoints D1, D2 initially configured in order to adapt them to a variation in the DC consumption flow rate and therefore at the request of the user.
  • the mixing device 3 produces a mixing flow rate, the control of which is associated with the flow rate consumed.
  • control unit 5 continues to control the D1 / DP and D2 / DP ratios so that they comply with the desired first gas and second gas contents for the gas mixture.
  • the method according to the invention advantageously implements a so-called start-up phase at the start of consumption of the mixture by the consuming unit, while no consumption was detected before.
  • start-up phase we go from a zero production rate DP to a production of a mixture of the first and second gases with a predetermined production rate DP.
  • the user can start the production of the gas mixture with a predetermined flow rate DP which can be set at a minimum so-called starting value corresponding to a predetermined percentage of the maximum production flow rate that can be produced.
  • This maximum production flow rate corresponds to the sum of a first maximum flow rate value and a second maximum flow rate value that the first and second regulating members 41, 42 are designed to distribute.
  • the predetermined percentage is at least 25%, preferably at least 35% and more preferably at least 50% of the maximum production rate. This makes it possible to use the sensor which measures the flow in the flow regulators D1, D2 in its optimum and most precise operating range.
  • the product gas mixture can be distributed to the vent 15, in particular in the case where the composition of the mixture does not comply with the target composition.
  • the user can optionally initially set a higher production flow rate than the expected DC consumption flow rate in order to fill the buffer tank 7 and constitute a mixture reserve there.
  • a production regulation phase follows during which the production flow rate DP is adjusted as a function of the consumption flow rate DC.
  • the control unit 5 monitors the DC consumption rate via the measurements received from the measuring sensor 8. If a change in the DC consumption rate is detected, the control unit 5 generates a first control signal for adapting the flow rates D1, D2 distributed upstream of the mixer in order to bring the flow rate DP in line with the modified flow rate DC.
  • the measurement sensor 8 performs continuous or quasi-continuous measurements.
  • the control unit 5 is configured so that the generation of the first control signal and / or the transmission of the first control signal to the flow rate regulators only takes place at a predetermined time interval, in particular an interval of the order of 1 to 60 seconds. In other words, the flow setpoints are maintained during this time interval, without an adjustment of the setpoints being ordered by the control unit 5. This makes it possible to avoid a reaction of the installation following untimely fluctuations in the temperature. DC flow rate or to avoid generating too rapid variations of the DP flow rate which could give rise to operating errors.
  • control unit 5 can be configured to, at least temporarily, maintain the production flow rate DP.
  • the control unit 5 can draw from the buffer tank 7 to compensate for the underproduction of the mixer 3. If the consumption rate DC decreases, the buffer tank 7 can be filled to dampen the overproduction of the mixer 3.
  • control unit 5 is configured so as to stop the gas flow when the physical quantity measured by the sensor 8 is representative of a zero DC consumption flow.
  • the control unit 5 can also be configured to stop the gas flow if the physical quantity measured by the sensor 8 is representative of a DC consumption flow rate is low, i. e. lower than a given low flow threshold, in order to avoid an overpressure in the buffer tank 7.
  • the control unit 5 can also be configured to generate an alarm signal when the physical quantity measured by the sensor 8 is representative of 'a DC consumption rate greater than a given high rate threshold.
  • control loop is generally meant a control system of a process in which a controlling variable acts on a controlled variable, i. e. a quantity to be controlled, to bring it as quickly as possible to a setpoint value and to maintain it there.
  • the basic principle of a servo-control is to measure, permanently, the difference between the real value of the quantity to be controlled and the set-point value that one wishes to reach, and to calculate the appropriate command to be applied to one or more. several actuators so as to reduce this gap as quickly as possible. This is also referred to as a closed-loop controlled system.
  • the controlling variable is the physical quantity measured by the measuring sensor 8
  • the controlled variable is the production flow rate DP, via the setting of the flow rates D1 and D2 of the first and second gas.
  • the setpoint is variable according to the consumption conditions of the mixture.
  • the first servo loop comprises a first comparator 11 A arranged within the control unit 5 and configured to generate at least a first error signal from the first measurement signal.
  • the first error signal can be representative of a variation in the physical quantity measured. It is advantageously obtained by comparison with at least one measurement of said physical quantity taken at another time.
  • the first loop comprises a first corrector 12A arranged within the control unit 5 and configured to generate the first control signal from the first error signal.
  • the first corrector 12A sends the control signal to actuators which control a movement, in response to the first control signal, of the first and second flow rate regulating members 41, 42 in respective positions in which the first flow setpoint D1 and the second flow setpoint D2 are adjusted in accordance with the first control signal.
  • the actuators control the movement of moving parts within the regulators, which vary the flow rates D1, D2 sent to the mixing device 3 in a direction tending to reduce the difference between the flow rates DP and DC.
  • the first corrector 12A is of the proportional, integral and derivative (PID) type, which makes it possible to improve the performance of a servo-control thanks to three combined actions: a proportional action, an integral action, a derivative action.
  • PID proportional, integral and derivative
  • the corrective action of the first servo loop is only applied to the setpoints D1, D2 at a predetermined time interval, preferably an interval between 1 and 60 s, preferably still of the order of 20 s, in order to avoid excessively rapid variations in the production flow rate which can create errors.
  • This time interval can be a parameter of the first corrector 12A.
  • the first corrector 12A can include in particular a microprocessor, memory registers, programming instructions for processing the first error signal and for developing by numerical calculation the terms proportional, integral, and derivative of the control loop. These terms, which can be determined by calculation and / or experimentally, are combined to provide the control signal for the regulatory organs 41, 42.
  • the term derived from D can optionally be zero.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment in which the measurement signal is obtained by a flow sensor 8, also called a flowmeter, arranged on the distribution line 6 so as to directly measure the distributed DC consumption flow. to the consumer unit 10.
  • a flow sensor 8 also called a flowmeter
  • FIG. 1 illustrates an embodiment in which the measurement signal is obtained by a flow sensor 8, also called a flowmeter, arranged on the distribution line 6 so as to directly measure the distributed DC consumption flow. to the consumer unit 10.
  • the signals received and sent to the various elements of the installation are shown diagrammatically by the dashed lines referenced "A".
  • the control signal orders an increase in the first and second flow rate setpoints D1, D2 and a decrease in the first and second flow rate set points D1, D2 if the DC flow rate decreases.
  • each of the first and second flow regulating members 41, 42 can move between a closed position in which the first flow setpoint D1 or the second flow setpoint D2 is zero and a fully position. open in which the first flow rate instruction D1 or the second flow rate instruction D2 respectively have a first maximum flow rate value or a second maximum flow rate value.
  • the first and second flow regulating members 41, 42 can optionally occupy at least one intermediate position between the closed position and the open position.
  • said intermediate position corresponding to a first flow rate setpoint D1 or a second flow rate setpoint D2 greater than or equal to a first minimum flow rate value or a second minimum flow rate value.
  • the first minimum flow rate value and / or the second minimum flow rate value is equal to at least 25%, more preferably at least 35%, or even at least 50%, of the respective first or second maximum value. This makes it possible to work on flow ranges where the precision of the regulating members 41, 42, more precisely the precision of the flow sensors used in the regulating members, is better.
  • the installation uses a pressure sensor 8 measuring the pressure prevailing in the buffer tank 7 as a physical quantity representative of the DC consumption rate.
  • the DC consumption flow fluctuations are thus determined indirectly, via the determination of pressure fluctuations in the buffer tank 7.
  • the representation of FIG. 1 remains applicable except that the measurement signal is produced by the sensor 8 connected to the tank. buffer and not by sensor 8 connected to line 6.
  • the installation according to the invention can include two sensors 8, one for flow and the other for pressure. These sensors are as described above and each produce a respective first measurement signal.
  • the control unit 5 is configured to generate the first control signal from the measurement signal from one or the other of the sensors 8.
  • the control unit 5 chooses to use the first measurement signal coming from that of the two measurement sensors 8 which measures a physical magnitude value representative of the highest flow rate.
  • the pressure sensor 8 sends the first measurement signal to the first comparator 11 A which generates a first error signal corresponding to the pressure drop information and transmits it to the first corrector 12A so that it calculates a first control signal applied to the first and second flow rate regulating members 41, 42 so that the first and second flow rate setpoints D1, D2 increase by an appropriate factor, which can be determined by the first regulation loop.
  • the first comparator 11A is configured to generate at least a first error signal from a comparison of the first measurement signal with at least one parameter chosen from: a low pressure threshold, a threshold of high pressure. These thresholds can be adjusted according to the operating conditions, the characteristics of the installation, etc.
  • the first corrector commands the flow regulating members to regulate the flow. of the first and second gases according to the flow rates D1, D2 given.
  • This operating mode can be implemented during the regulation phases as well as during the consumption start-up phases.
  • a start-up phase as soon as the pressure in the buffer tank 7 reaches the low pressure threshold, the flow regulating members are commanded to regulate the flow of the first and second gases so as to produce the mixture of gas with the DP flow rate set at the start value.
  • the flow rate setpoints D1, D2 can correspond respectively to the first minimum flow rate value and to the second minimum flow rate value.
  • the flow rate regulators 41, 42 start to produce each of the minimum flow rates leading to a DP flow rate equal to the starting value until reaching the high pressure threshold in the buffer tank 7.
  • the flow setpoints D1, D2 are increased by following a regulation scheme by the first corrector 12A, preferably of the PID type, in which the increase in flow rates is a function of the drop in pressure.
  • the flow rate regulating members 41, 42 can be moved to their respective closed positions in which the flow rates D1, D2 are impaired.
  • FIG. 2 shows schematically an example of the effect of a first servo loop with a first PID type corrector in which the production rate DP, corresponding to the sum of D1 and D2, is corrected as a function of the variation of the pressure P 7 in the buffer tank 7.
  • the maximum production flow DP of the installation corresponding to the sum of the first and second maximum flow values, is set at 100 sL / min (standard liter per minute), ie 6 Nm 3 / h (normal cubic meter per hour).
  • the installation's minimum DP production flow rate, corresponding to the sum of the first and second minimum flow rate values, is set at 25 sL / min (standard liter per minute), ie 1.5 Nm 3 / h.
  • the high and low pressure thresholds are set at 4 bar and 3.8 bar respectively.
  • FIG. 2 schematically represents various scenarios which may be encountered during the operation of the installation.
  • DP DC
  • the pressure in the buffer tank will drop to 3.8 bar (movement to the left along the gray arrow).
  • This pressure is the starting pressure of the flow regulators.
  • the DP flow rate is at its minimum start-up value, ie 25 sL / min
  • the control unit has commanded the flow regulators to produce a DP flow ⁇ DC, the pressure will drop until a temperature is reached.
  • DC flow rate equal to the maximum DP flow rate of the installation, ie 100 sL / min (movement from bottom to top along the gray arrows).
  • DP> DC the buffer tank begins to fill and the pressure increases from 3.5 bar to 4 bar (following the arrows with black lines). 4 bar is the stop pressure for filling the buffer tank.
  • FIG. 3 An example of what happens in practice is shown in Figure 3 showing the time evolution of the pressure in the buffer tank (dashed curve) and the production flow DP (solid line).
  • zone A if there is no drop in pressure, the flow setpoint remains at 0.
  • zone B flow setpoints are given to the flow regulators D1 and D2, which are incremented at a regular interval if the pressure does not stabilize.
  • zone C filling the buffer tank (zone C) is stopped. If the pressure drops again (zone D), the setpoints of the flow regulators will be adjusted to the desired values in order to allow the DC consumption to be predicted and to keep the pressure of the buffer tank stable.
  • the normo cubic meter is a unit of measurement of quantity of gas which corresponds to the content of a volume of one cubic meter, for a gas found in normal conditions of temperature and pressure (0 or 15 or more rarely 20 ° C according to the standards and 1 atm, i.e. 101 325 Pa).
  • a normal cubic meter corresponds to approximately 44.6 moles of gas.
  • the buffer tank advantageously has an internal volume equal to at least half of the maximum DP production flow rate DP of the installation.
  • the buffer tank can have an internal volume of at least 1 L, or even at least 50 L, or even 1000 L or more. Preferably, the internal volume of the buffer tank will be between 50 and 400 L.
  • the tank can be formed from a single tank or from several tanks fluidly connected to one another, the internal volume of the buffer tank then being understood as the sum of tank volumes.
  • the installation may further include a first analysis unit 13 configured to analyze at least one content of the first gas and / or the second gas of the gas mixture distributed by the line of power supply 6.
  • a first analysis unit 13 configured to analyze at least one content of the first gas and / or the second gas of the gas mixture distributed by the line of power supply 6. This makes it possible in particular, during the start-up phase of the installation, to condition the distribution of the gas mixture to the conformity of the measured contents with the target contents.
  • a tolerance of the order of 0.1 to 5% (relative%) with respect to the target levels C1, C2 can be set. If the mixture produced does not conform, production may possibly be stopped.
  • the first analysis unit 13 is configured to analyze the content of the first gas, which may in particular be the minority gas in the gas mixture.
  • the installation according to the invention can comprise a second analysis unit 14 arranged upstream of the buffer tank 7 so as to measure at least one content of the first gas and / or the second gas of the gas mixture produced by the mixing device 3.
  • the second analysis unit 14 is configured to supply consequently at least one second measurement signal to the control unit 5, which generates a second control signal from the second measurement signal.
  • the second control signal is used to control one and / or the other of the flow rate regulating members 41, 42 so as to adjust one and / or the other of the proportions of the first flow rate set point D1 and of the second flow rate set point D2 relative to the production flow rate DP so that the effective composition of the gas mixture leaving the mixing device 3 approaches the target composition at levels C1, C2 (C2 being preferably deduced from C1 and not measured ).
  • the signals received and sent to the various elements of the installation as part of the control of the composition of the mixture are shown diagrammatically by the dashed lines “B”.
  • This control of the contents of the mixture produced by the mixing device makes it possible to compensate for any errors between the flow rates actually set by the flow regulating members 41, 42 and the flow setpoints D1, D2 which are applied to them.
  • the arrangement of a sampling point located between the outlet of the mixing device and the inlet of the buffer tank 7 makes it possible to detect and react more quickly to any variations in content, thus avoiding the risk of consuming an incorrect mixture. in the buffer tank 7.
  • the pipe taking the mixture and leading it into the analysis unit advantageously has the shortest possible length so that the analyzer provides a very precise response in real or quasi-real time.
  • the pipe is such that the time lag between the moment when the mixture is taken at its sampling point and the moment when the analysis unit gives its measurement is minimal, typically less than 30 seconds, in particular between 1 and 30 seconds.
  • the second control signal is produced from a second error signal containing at least one item of information on the difference between a measured content and a target content, for the first gas or the second gas.
  • the first gas being the minor gas of the mixture. This difference can be expressed in particular as: where Mi is the content measured for the first gas.
  • the relative difference ACi can be used as a correction factor for the first flow rate setpoint D1.
  • the desired gas mixture is a mixture formed of the first gas with a target C1 content of 4% and of the second gas for the remainder, therefore with a C2 content of 96% (% by volume).
  • a first flow setpoint D1 of 4 sL / min (0.24 Nm 3 / h), corresponding to a proportion of 4% with respect to DP, and a second setpoint D2 of 96 sL / min (5.76 Nm 3 / h), corresponding to a proportion of 96% with respect to DP, are therefore applied to the respective flow rate regulators 41, 42.
  • the members 41, 42 have an accuracy of adjustment of plus or minus 1%.
  • a first gas content of 3.92% is measured at the outlet of the mixing device 3, corresponding to a deviation ACi of -2% (relative%) with respect to the target content C1.
  • the control unit 5 generates a second control signal commanding the flow rate regulating members 41, 42 to adjust the flow rates D1 and D2 with respect to DP so as to compensate for this difference.
  • the first setpoint D1 is therefore adjusted to D1 + 2%, ie 4.08 sL / min.
  • the control unit 5 controlling the maintenance of D2.
  • D2 also is adjusted in response to the second control signal.
  • D2 would be adjusted to 95.04 sL / min.
  • the correction can also be made by applying a correction factor to at least one of the target contents previously recorded in the control unit 5, in the above example a correction by a factor equal to 0.03, which has the effect of adjusting D1 to 4.08 accordingly sL / min.
  • the installation can include an alarm configured to emit an alarm signal if the first analysis unit and / or the second analysis unit detects levels outside the planned tolerance ranges.
  • the first analysis unit 13 and / or the second analysis unit 14 can be chosen in particular from the following types of detectors: a thermal conductivity detector, a paramagnetic alternating pressure detector, a catalytic adsorption detector, a detector with non-dispersive infrared absorption, an infrared spectrometer.
  • the type of analysis unit can be adapted according to the nature of the gases to be analyzed.
  • the first 13 and second 14 analysis units can be interchanged.
  • the first 13 and second 14 analysis units are connected to the vent 15 so as to discharge therein the gas mixture analyzed.
  • the installation may include a second control loop of the respective proportions of the first flow rate setpoint D1 and / or of the second flow rate setpoint D2 relative to the production flow rate DP on the second measurement signal. supplied by the second analysis unit 14.
  • the controlling quantities are the content (s) measured by the second analysis unit 14, the controlled quantities are one and / or the other of the proportions D1 / DP, D2 / DP.
  • the setpoint is variable depending on the actual content (s) measured.
  • the second loop comprises a second comparator 11 B arranged within the control unit 5 and configured to generate at least a second error signal from a comparison of the second measurement signal with at least one parameter chosen from: the target content C1 in the first gas, the target content C2 in the second gas.
  • a second corrector 12B is arranged within the control unit 5, in particular of the PID type, and configured to generate the second control signal from the second error signal.
  • the actuators of the first and second flow regulators 41, 42 control the movement of the first and second flow regulators. flow rate 41, 42 in respective positions in which the proportions of D1 and / or D2 with respect to DP conform to the second control signal.
  • the regulation loop ordering D2 Preferably, only the proportion of D1 is adjusted, the regulation loop ordering D2 to remain fixed.
  • first comparator and the second comparator can possibly form the same entity configured to receive as input data both the measurements of the sensor 8 and of the second analysis unit 14 and to produce the appropriate error signals as output. . It is the same for the first and second correctors.
  • the installation according to the invention can be used for the distribution of gas mixtures used in different industries such as semiconductor, photovoltaic, LED, flat screen industries or any other industry such as mining, pharmaceutical, space industries. or aeronautics.
  • the installation comprises at least one gas cabinet (in English "gas cabinet") in which are installed at least the control unit 5, the mixing device 3, the flow regulating members, the measurement sensor 8. , the buffer tank 7.
  • the sources of the first and second gas can be located inside or outside the cabinet.
  • the sources are located outside the cabinet so that the latter retains a reasonable footprint.
  • the control unit 5 is arranged outside the cabinet, either by being fixed to one of the walls of the cabinet, or positioned at a distance from the cabinet.
  • the gas cabinet may include a housing with a back wall, sidewalls, a front wall, a bottom, and a ceiling.
  • one or more buffer reservoirs are provided which stand up on the bottom and can be fixed in the housing in a manner known in the state of the art.
  • a system of gas pipes is arranged in said housing, preferably against the bottom of the cabinet.
  • the cabinet may include means for monitoring and / or maintaining the gas pipe system such as valves, pressure reducing valves, pressure measuring devices, etc. allowing operations such as gas distribution to be carried out, the opening or closing of certain pipes or portions of pipes, gas pressure management, carrying out purge cycles, leak tests, etc.
  • the housing includes gas inlet openings for supply with the first and second gases and a gas outlet opening for dispensing the gas mixture.
  • the distribution line 6 is connected to the outlet opening. In operation, the gas cabinet is connected to the consumption unit by the distribution line 6.
  • Other gas inlets can be provided, in particular for a purging gas or a standard gas for calibrating the analyze
  • the installation according to the invention can in particular be used to produce gas mixtures having the following compositions:
  • H2 - hydrogen (H2) in an inert gas such as nitrogen (N2), argon or helium,
  • CO2 carbon dioxide
  • inert gas such as nitrogen, argon or helium
  • CHU - methane
  • the target C1 contents of the first gas in particular the target contents of H2, helium, CO2, CH4, O2, are between 0.0001 and 50%, preferably between 0.1 and 20%, the remainder being the second gas.
  • a mixture comprising hydrogen as the first gas in nitrogen as the second gas has been produced and distributed on site.
  • the target hydrogen content C1 was 4% (% by volume).
  • the installation included a first PID-type servo loop as described above and possibly, depending on the accuracy requirements required by the consuming unit, a second servo loop.
  • Figure 4 shows a recording of the DC gas mixture flow rate distributed by the distribution line of an installation comprising a second servo loop with the hydrogen content measured during this recording.
  • Figure 5 is an enlarged view of the content recording of Figure 4.
  • a variable DC gas mixture flow rate between typically 0 and 150 sL / min could be produced with a stability of the content characterized by a relative standard deviation of the order of 3% without a second servo loop and of the order of 1% with a second servo loop.
  • the present description describes a gas mixture with two constituents but that it can be transposed to any mixture having a greater number of constituents.
  • three sources each distribute a first gas, a second gas, a third gas.
  • Flow regulating members 41, 42, 43 are instructed by the control unit 5 to regulate the flow of the first, second and third gases at respective flow setpoints D1, D2, D3.
  • the mixer device is configured to distribute a mixture of flow rate DP equal to the sum of D1, D2, D3.
  • the proportions of first, second gas and third gas relative to DP are determined as a function of at least two among three target contents C1, C2, C3 of the gas mixture in the first gas, the second gas and the third gas respectively. All or part of the characteristics already described for a two-gas mixture can be transposed to this three or more gas mixture.

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Abstract

L'installation de distribution d'un mélange de gaz comprenant une source d'un premier gaz (1), une source d'un deuxième gaz (2), un dispositif mélangeur (3) relié fluidiquement à la source de premier gaz (1) et à la source de deuxième gaz (2), ledit dispositif mélangeur (3) étant configuré pour produire à une sortie (33) un mélange de gaz comprenant le premier gaz et le deuxième gaz, un premier organe régulateur de débit (41) et un deuxième organe régulateur de débit (42) configurés pour réguler respectivement le débit du premier gaz et le débit du deuxième gaz s'écoulant vers le dispositif mélangeur (3) suivant une première consigne de débit (D1) et une deuxième consigne de débit (D2) définissant en fonctionnement, un débit de production (DP) du mélange de gaz à la sortie (33) du dispositif mélangeur (3), une unité de commande (5) configurée pour commander les premier et deuxième organes régulateurs de débit (41, 42) de façon à ajuster la première consigne de débit (D1) et la deuxième consigne de débit (D2) selon des proportions respectives par rapport au débit de production (DP), lesdites proportions respectives étant déterminées en fonction d'au moins une teneur cible (C1, C2) du mélange de gaz en le premier gaz et/ou le deuxième gaz, un réservoir tampon (7) relié fluidiquement à la sortie (33) du dispositif mélangeur (3) d'une part et à une ligne de distribution (6) d'autre part, la ligne de distribution (6) étant configurée pour distribuer le mélange de gaz vers une unité consommatrice (10) avec un débit de consommation (DC) représentatif d'une consommation variable du mélange de gaz, au moins un capteur de mesure (8) configuré pour mesurer une grandeur physique dont la variation est représentative d'une variation du débit de consommation (DC) distribué par la ligne de distribution (6) et pour fournir un premier signal de mesure de ladite grandeur physique, l'unité de commande (5) étant reliée au capteur de mesure (8) et configurée pour élaborer un premier signal de commande à partir du premier signal de mesure, les organes régulateurs de débit (41, 42) étant configurés pour ajuster la première consigne de débit (D1) et la deuxième consigne de débit (D2) en réponse audit premier signal de commande.

Description

INSTALLATION ET PROCÉDÉ DE DISTRIBUTION D'UN MÉLANGE DE GAZ
La présente invention concerne une installation de distribution d’un mélange de gaz destiné à être utilisé par une unité consommatrice de gaz. L’installation permet une distribution du mélange directement sur le site d’utilisation ainsi qu’un ajustement du débit de mélange produit par l’installation en fonction du débit consommé par l’unité consommatrice. L’invention porte également sur un procédé de distribution de mélange mettant en oeuvre une telle installation.
En particulier, une installation et un procédé selon l’invention sont destinés à distribuer des mélanges de gaz purs ou de pré-mélanges de gaz, notamment à distribuer des mélanges de gaz extraits de l’air, comme l’azote, l’argon, l’oxygène, de l’hélium, de l’hydrogène, des hydrocarbures tel le propane.
Notons que les termes « unité consommatrice de gaz », peuvent s’entendre aussi bien d’une entité consommatrice unique que de plusieurs entités alimentées en parallèle par le mélange de gaz, notamment plusieurs entités agencées en aval d’un boîtier de dérivation.
Habituellement, les mélanges de gaz sont conditionnés sous forme comprimée ou liquéfiée dans des bouteilles de gaz. Le remplissage d’une bouteille de gaz s’effectue en mode séquentiel, les constituants du mélange étant introduits les uns après les autres dans la bouteille. Pour chaque constituant, un contrôle de la quantité de gaz introduit dans la bouteille est réalisé, soit par suivi de la pression dans la bouteille pendant et après l’introduction du constituant, soit par pesée de la bouteille lors de l’introduction du constituant. Une telle installation de conditionnement de mélanges de gaz est notamment décrite dans le document WO2010/031940A1 .
Afin de garantir à l’utilisateur la fiabilité et la reproductibilité des performances et/ou des résultats procurés par l’unité consommatrice de gaz, il est nécessaire de réaliser des mélanges de gaz offrant une grande précision sur les concentrations de chaque constituant. Selon les applications, la tolérance maximale de variation des valeurs effectives des concentrations par rapport aux valeurs cibles peut être de 10% (% relatif), voire 5% ou même moins. De telles tolérances sont d’autant plus difficiles à respecter que le nombre de constituants est grand et/ou que leurs teneurs sont faibles. Selon la précision requise, les méthodes de conditionnement actuelles peuvent se révéler insuffisantes. En particulier, le conditionnement manométrique par contrôle de la pression offre une précision limitée intrinsèquement par la précision du capteur de pression et par les variations de la température qui influence le calcul de la quantité de gaz. A l’incertitude sur les valeurs de concentration du mélange de gaz fabriqué s’ajoute les écarts de concentrations entre les mélanges conditionnés dans différentes bouteilles. De tels écarts peuvent faire varier sensiblement les résultats produits par l’unité consommatrice à chaque changement de bouteille.
Le conditionnement gravimétrique par pesée des constituants offre une plus grande précision sur la composition du mélange mais impose toujours un procédé par étape avec remplissage de bouteilles.
Or, l’utilisation de bouteilles conduit à une autonomie limitée pour l’utilisateur avec un arrêt de la distribution difficilement prévisible lorsque la consommation du mélange de gaz varie. Les délais d’approvisionnement des mélanges de gaz pouvant être relativement longs, l’utilisateur doit gérer son stock de bouteilles afin d’assurer une continuité de sa production.
De plus, la mise en bouteille des mélanges a lieu dans des centres de conditionnement aménagés spécifiquement pour ce type d’opérations. Les bouteilles doivent ensuite être acheminées vers leur site d’utilisation, ce qui impose une logistique dédiée. Des contraintes liées au transport de marchandises dangereuses peuvent aussi se présenter, en particulier lorsqu’il s’agit de transporter des mélanges de gaz à constituants inflammables, pyrophoriques, toxiques et/ou anoxiants.
Par ailleurs, les opérations de connexion/déconnexion des bouteilles sont fastidieuses pour les utilisateurs et augmentent le risque de contaminer le mélange de gaz avec de l’air ambient. Les bouteilles nécessitent également une préparation spécifique avant remplissage incluant des étapes de nettoyage, passivation, ...
L’invention a pour but de pallier tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus, notamment en proposant une installation de distribution d’un mélange de gaz permettant de contrôler précisément la composition du mélange, tout en offrant une continuité et une flexibilité de distribution, en fonction notamment des besoins au point de consommation du mélange. A cette fin, la solution de l’invention est une installation de distribution d’un mélange de gaz comprenant :
- une source d’un premier gaz,
- une source d’un deuxième gaz,
- un dispositif mélangeur relié fluidiquement à la source de premier gaz et à la source de deuxième gaz, ledit dispositif mélangeur étant configuré pour produire à une sortie un mélange de gaz comprenant le premier gaz et le deuxième gaz,
- un premier organe régulateur de débit et un deuxième organe régulateur de débit configurés pour réguler respectivement le débit du premier gaz et le débit du deuxième gaz s’écoulant vers le dispositif mélangeur suivant une première consigne de débit et une deuxième consigne de débit définissant en fonctionnement, un débit de production du mélange de gaz à la sortie du dispositif mélangeur,
- une unité de commande configurée pour commander les premier et deuxième organes régulateurs de débit de façon à ajuster la première consigne de débit et la deuxième consigne de débit selon des proportions respectives par rapport au débit de production, lesdites proportions respectives étant déterminées en fonction d’au moins une teneur cible du mélange de gaz en le premier gaz et/ou le deuxième gaz,
- un réservoir tampon relié fluidiquement à la sortie du dispositif mélangeur d’une part et à une ligne de distribution d’autre part, la ligne de distribution étant configurée pour distribuer le mélange de gaz vers une unité consommatrice avec un débit de consommation représentatif d’une consommation variable du mélange de gaz,
- au moins un capteur de mesure configuré pour mesurer une grandeur physique dont la variation est représentative d’une variation du débit de consommation distribué par la ligne de distribution et pour fournir un premier signal de mesure de ladite grandeur physique, l’unité de commande étant reliée au capteur de mesure et configurée pour élaborer un premier signal de commande à partir du premier signal de mesure, les organes régulateurs de débit étant configurés pour ajuster la première consigne de débit et la deuxième consigne de débit en réponse audit premier signal de commande.
Selon le cas, l’invention peut comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques énoncées ci-après.
L’installation comprend une première boucle d’asservissement des première et deuxième consignes de débit sur le premier signal de mesure fourni par le capteur de mesure, ladite première boucle comprenant :
- un premier comparateur agencé au sein de l’unité de commande (5) et configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir du premier signal de mesure,
- un premier correcteur agencé au sein de l’unité de commande, en particulier du type proportionnel, intégral et dérivé, et configuré pour élaborer le premier signal de commande à partir du premier signal d’erreur,
- des actionneurs des premier et deuxième organes régulateurs de débit reliés au premier correcteur configurés pour recevoir le premier signal de commande et déplacer les premier et deuxième organes régulateurs de débit dans des positions respectives dans lesquelles la première consigne de débit et la deuxième consigne de débit sont conformes au premier signal de commande.
Le capteur de mesure comprend un capteur de débit ou débitmètre configuré pour mesurer le débit de consommation.
Le premier comparateur est configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur représentatif d’une variation du débit de consommation et le premier correcteur est configuré pour élaborer un premier signal de commande commandant un déplacement des premier et deuxième organes régulateurs de débit de sorte que les première et deuxième consignes de débits varient dans le même sens que celui de la variation du débit.
Le capteur de mesure comprend un capteur de pression configuré pour mesurer la pression régnant dans le réservoir tampon.
Le premier comparateur est configuré pour élaborer un premier signal d’erreur représentatif d’une variation de la pression dans le réservoir tampon et le premier correcteur est configuré pour élaborer au moins un premier signal de commande commandant un déplacement des premier et deuxième organes régulateurs de débit de sorte que les première et deuxième consignes de débits varient dans un sens opposé à celui de la variation de la pression.
Le premier comparateur est configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir d’une comparaison du premier signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : un seuil de pression bas, un seuil de pression haut.
Chacun des premier et deuxième organes régulateurs de débit peut se déplacer entre une position fermée dans laquelle la première consigne de débit ou la deuxième consigne de débit est nulle et une position totalement ouverte dans laquelle la première consigne de débit ou la deuxième consigne de débit présentent respectivement une première valeur maximale de débit ou une deuxième valeur maximale de débit, les premier et deuxième organes régulateurs de débit pouvant occuper au moins une position intermédiaire entre la position fermée et la position ouverte avec ladite position intermédiaire correspondant de préférence à une première consigne de débit ou une deuxième consigne de débit égale à au moins 25%, de préférence encore au moins 35%, de sa première ou deuxième valeur maximale respective.
Le réservoir tampon a un volume interne égal à au moins la moitié du débit de production maximal de l’installation.
L’installation comprend une première unité d’analyse agencée en aval du réservoir tampon et configurée pour analyser au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange distribué par la ligne d’alimentation.
L’installation comprend une deuxième unité d’analyse configurée pour mesurer au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange de gaz produit à la première sortie du dispositif mélangeur et pour fournir en conséquence au moins un deuxième signal de mesure, l’unité de commande étant reliée à la deuxième unité d’analyse et configurée pour élaborer un deuxième signal de commande à partir du deuxième signal de mesure et pour modifier la proportion de la première consigne de débit et/ou la proportion de la deuxième consigne de débit par rapport au débit de production en réponse audit deuxième signal de commande.
L’installation comprend une deuxième boucle d’asservissement des proportions respectives de la première consigne de débit et/ou de la deuxième consigne de débit par rapport au débit de production sur le deuxième signal de mesure fourni par la deuxième unité d’analyse, la deuxième boucle comprenant :
- un deuxième comparateur agencé au sein de l’unité de commande et configuré pour élaborer au moins un deuxième signal d’erreur à partir d’une comparaison du deuxième signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : une teneur cible en le premier gaz, une teneur cible en le deuxième gaz,
- un deuxième correcteur agencé au sein de l’unité de commande, en particulier du type proportionnel, intégral et dérivé, et configuré pour élaborer le deuxième signal de commande à partir du deuxième signal d’erreur,
- les actionneurs des premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit étant reliés au deuxième correcteur et configurés pour déplacer les premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit dans des positions respectives dans lesquelles les proportions des première consigne de débit et/ou de deuxième consigne de débit par rapport au débit de production sont conformes au deuxième signal de commande.
L’unité de commande comprend une interface homme-machine comprenant :
- une interface de saisie, notamment un écran tactile, configurée pour la saisie par un utilisateur d’au moins une teneur cible du premier gaz et/ou du deuxième gaz dans le mélange de gaz,
- au moins une règle de calcul pour calculer, à partir de ladite teneur cible, les proportions prédéterminées de première consigne de débit et/ou de deuxième consigne de débit par rapport au débit de production.
L’installation elle est située sur le lieu d’utilisation du mélange de gaz par l’unité consommatrice.
En outre, l’invention concerne un procédé de distribution d’un mélange de gaz comprenant les étapes suivantes: a. passage du premier gaz dans un premier organe régulateur de débit de façon à distribuer le premier gaz avec une première consigne de débit vers un dispositif mélangeur, b. passage d’un deuxième gaz dans un deuxième organe régulateur de débit de façon à distribuer le deuxième gaz avec une deuxième consigne de débit vers le dispositif mélangeur, c. production par une sortie du dispositif mélangeur d’un mélange de gaz comprenant le premier gaz et le deuxième gaz avec un débit de production, d. ajustement par commande des premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit de la première consigne de débit et de la deuxième consigne de débit selon des proportions respectives par rapport au débit de production, lesdites proportions respectives étant déterminées en fonction d’au moins une teneur cible du mélange de gaz en le premier gaz et/ou le deuxième gaz, e. introduction, via un réservoir tampon, du mélange produit à l’étape d) dans une ligne de distribution et distribution du mélange de gaz vers une unité consommatrice avec un débit de consommation représentatif d’une consommation variable de mélange de gaz, f. mesure d’une grandeur physique dont la variation est représentative d’une variation du débit de consommation distribué par la ligne de distribution, g. élaboration à partir de la mesure faite à l’étape f) d’au moins un premier signal de mesure et ajustement par commande des premier et deuxième organes régulateurs de débit de la première consigne de débit et la deuxième consigne de débit en fonction dudit premier signal de mesure.
L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées décrites ci-après.
Fig. 1 schématise le fonctionnement d’une installation selon un mode de réalisation de l’invention,
Fig. 2 schématise une première boucle d’asservissement selon un mode de réalisation de l’invention,
Fig.3 représente un exemple d’évolution dans le temps de la pression régnant dans le réservoir tampon et du débit de production de l’installation,
Fig. 4 représente un exemple d’évolution dans le temps du débit de mélange de gaz distribué par une installation selon un mode de réalisation de l’invention avec la teneur en un constituant du mélange mesurée au cours de cette évolution, Fig. 5 représente un agrandissement de la courbe relative à la teneur mesurée de la figure 3.
La figure 1 représente une installation selon l’invention comprenant une source de premier gaz 1 et une source de deuxième gaz 2. Le premier gaz 1 et le deuxième gaz 2 sont de nature différente. Il peut s’agir de corps purs, simples ou composés, ou de pré-mélanges de plusieurs corps purs, en particulier un corps pur dilué avec un autre. Chacune des sources de gaz peut être une bouteille de gaz, typiquement une bouteille pouvant présenter un volume en eau jusqu’à 50 L, un ensemble de bouteilles raccordées entre elles pour former un cadre de bouteilles ou un réservoir de plus grande contenance, notamment une contenance jusqu’à 1000 L, tel un réservoir de stockage cryogénique ou un réservoir agencé sur un camion-remorque. De préférence, les sources distribuent des fluides à l’état gazeux. Avant distribution, les fluides peuvent être stockés à l’état gazeux, à l’état liquide, i. e. de gaz liquéfiés ou à l’état diphasique liquide/gaz.
La figure 1 illustre le cas où l’installation est configurée pour produire un mélange de gaz binaire, i. e. à deux constituants, à partir de deux sources de gaz. Bien entendu, une installation selon l’invention pourra comprendre plus de deux sources de gaz et produire des mélanges à plus de deux constituants, en particulier des mélanges de gaz ternaires ou quaternaires.
Chacune des sources de premier gaz et de deuxième gaz est reliée par une première canalisation 21 et une deuxième canalisation 22 à des premier et deuxième organes régulateurs de débit respectifs 41 , 42. Ceux-ci sont prévus pour réguler les débits de premier gaz et de deuxième gaz s’écoulant vers le dispositif mélangeur de gaz 3. De préférence, les canalisations 21 , 22 se rejoignent en un point de raccordement 31 situé en amont du dispositif mélangeur 3 pour former une portion commune de canalisation reliée à une entrée 32 du dispositif mélangeur. Un mélange des premier et deuxième gaz entre ainsi dans le dispositif 3 pour y être encore mélangé et homogénéisé. Notons qu’il est aussi envisageable que les canalisations 21 , 22 débouchent chacune dans deux entrées distinctes 32a, 32b du dispositif mélangeur 3.
De préférence, chacune des canalisations 21 , 22 est munie d’un détendeur et d’un capteur de pression afin de mesurer et de contrôler la pression régnant dans ces canalisations. Les pressions des premier et deuxième gaz peuvent être chacune maintenue à constante, typiquement à une valeur comprise entre 1 et 10 bar.
Chaque organe régulateur de débit 41 , 42 peut être tout moyen configuré pour régler, réguler, ajuster le débit d’écoulement d’un fluide pour l’amener à une valeur de débit la plus proche de la valeur souhaitée.
Typiquement, les organes régulateurs de débit 41 , 42 comprennent chacun un capteur de débit, ou débitmètre, associé à un organe de détente, tel une vanne, par exemple une vanne à réglage proportionnel. La vanne peut être pneumatique ou piézoélectrique, analogique ou numérique. La vanne comprend une partie mobile, typiquement au moins un obturateur, qui est placé dans le débit de fluide et dont le déplacement permet de faire varier la section de passage, et ainsi faire varier le débit pour l’amener à la valeur de consigne. En particulier, les organes régulateurs de débit 41 , 42 peuvent être des régulateurs de débit massique comprenant un capteur de débit massique et une vanne de contrôle proportionnelle. Notons que même si la régulation est basée sur une mesure de masse de fluide, les valeurs de débits de consigne et mesurées ne sont pas nécessairement exprimées en masse. Ainsi, une consigne de débit volumique peut être exprimée en pourcentage d’ouverture de la vanne de contrôle proportionnelle, auquel correspond une valeur de tension à appliquer à la vanne de contrôle de l’organe régulateur. La conversion entre pourcentage d’ouverture en valeur de débit massique ou volumique se fait en connaissant la valeur nominale du débit régulé pour une ouverture à 100%.
Selon une réalisation avantageuse, la vanne est piézoélectrique. Ce type de vanne offre une grande précision, une bonne reproductibilité permettant la surveillance de la tension appliquée à la vanne. De telles vannes sont aussi peu sensibles aux champs magnétiques et au bruit radiofréquence. Leur consommation d'énergie est faible avec une génération de chaleur minimale. La surface de contrôle métal sur métal réduit, voire élimine, les réactions avec le gaz. Enfin, du fait d’un volume de cavité de contrôle de débit relativement faible, notamment par rapport à celui d’une électrovanne, il est possible d’avoir un remplacement rapide du gaz et une excellente réponse dynamique.
En pratique, les premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 permettent de réguler respectivement le débit du premier gaz et le débit du deuxième gaz entrant dans le mélangeur 3 suivant une première consigne de débit D1 et une deuxième consigne de débit D2. A la sortie 33 du dispositif mélangeur 3 le mélange de gaz sort avec un débit de production DP qui correspond, dans le cas d’une installation à deux sources de gaz, à la somme des deux débits D1 et D2 de premier et deuxième gaz. Si l’installation comprend par exemple une source d’un troisième gaz, le débit DP sera la somme de débits D1 , D2, D3 régulés par des organes régulateurs de débit 41 , 42, 43 correspondants en direction du dispositif mélangeur 3.
L’installation selon l’invention comprend en outre une unité de commande 5 qui est reliée aux premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 de façon à commander leur fonctionnement, en particulier de façon à ajuster les valeurs de consigne D1 , D2 pour les amener à des valeurs qui sont déterminées et adaptées en fonction de conditions de fonctionnement de l’installation.
Pour ce faire, les organes régulateurs de débit 41 , 42 comprennent chacun avantageusement un système à boucle fermée qui se voit donner des consignes de débit par l’unité de commande 5. Ces consignes sont ensuite comparées par le système à boucle fermée avec les valeurs mesurées par les organes régulateurs de débit 41 , 42 et leurs positions sont ajustées par ledit système en conséquence pour envoyer les débits les plus proches possibles de D1 , D2 vers le dispositif mélangeur 3.
Avantageusement, l’unité de commande 5 comprend un automate programmable, également appelé système « PLC » pour « Programmable Logic Controller » en anglais, c’est-à-dire un système de contrôle d'un procédé industriel comprenant une interface homme-machine pour la supervision et un réseau de communication numérique. Le système PLC peut comprendre plusieurs contrôleurs modulaires qui commandent les sous-systèmes ou équipements de contrôle de l'installation. Ces équipements sont configurés chacun pour assurer au moins une opération parmi : l’acquisition des données d’au moins un capteur de mesure, le contrôle d’au moins un actionneur relié à au moins un organe contrôleur de débit, la régulation et l’asservissement de paramètres, la transmission de données entre les différents équipements du système.
L’unité de commande 5 peut ainsi comprendre au moins l’un parmi : un microcontrôleur, un microprocesseur, un ordinateur. L’unité de commande 5 peut être reliée aux différents équipements de contrôle de l’installation, notamment aux organes régulateurs de débit 41 , 42, au capteur 8, et communiquer avec lesdits équipements par des liaisons électriques, Ethernet, Modbus... D’autres modes de liaisons et/ou transmission d’informations, sont envisageables pour tout ou partie des équipements de l’installation, par exemple par liaisons radiofréquence, WIFI, Bluetooth...
Dans un premier temps, la logique électronique 5 calcule une proportion prédéterminée du débit D1 par rapport à un débit de production DP et/ou une proportion prédéterminée du débit D2 par rapport à DP, i. e. des ratios D1/DP et/ou D2/DP prédéterminés, en fonction d’une teneur cible C1 du mélange de gaz en le premier gaz et/ou d’une teneur cible C2 du mélange de gaz en le deuxième gaz.
De préférence, la logique électronique 5 n’effectue pas de calcul du débit du deuxième gaz D2 à partir d’une teneur cible C2 en deuxième gaz mais règle D2 par déduction à partir de D1. D2 correspond alors à DP auquel on soustrait D1. De préférence, la logique électronique 5 calcule une proportion prédéterminée du débit D1 par rapport à DP à partir d’une teneur cible C1 qui est celle du gaz minoritaire du mélange.
Notons que pour un mélange ternaire par exemple, le réglage de D1 et D2 pourra se faire à partir de teneurs cibles respectives C1 , C2, la troisième consigne de débit D3 en le troisième gaz étant déduite des valeurs de D1 et D2.
Selon une possibilité de mise en œuvre, l’unité de commande 5 comprend une interface homme-machine 300 comprenant une interface de saisie, par exemple un écran tactile, permettant la saisie par un utilisateur de ladite au moins une teneur cible du premier gaz et/ou du deuxième gaz dans le mélange de gaz. Par exemple, les teneurs peuvent être exprimées en pourcentage volumique de premier ou deuxième gaz présent dans le mélange de gaz. De façon plus générale, l’interface homme- machine 300 peut permettre à l’utilisateur de donner des instructions à l’unité de commande 5.
Les organes régulateurs de débit 41 , 42 reçoivent pour consigne de l’unité de commande 5 de réguler l’écoulement des premier et deuxième gaz aux consignes respectives D1 , D2 déterminées à partir de la composition cible pour le mélange de gaz. C’est avec ces débits que le premier gaz et le deuxième gaz entrent dans le dispositif mélangeur 3.
Typiquement, le dispositif mélangeur 3 comprend un volume mélangeur commun dans lequel débouchent la ou les entrées et la sortie 33 et dans lequel le mélange est homogénéisé. On pourra par exemple utiliser un mélangeur 3 du type mélangeur statique permettant un mélange en continu des fluides entrant dans le mélangeur. Ce type de mélangeur comprend généralement au moins un élément perturbateur, telle une plaque, une portion de tuyau, un insert, apte à perturber l’écoulement des fluides, générer des pertes de charges et/ou des turbulences pour favoriser le mélange des fluides et son homogénéisation.
Un mélange des premier et deuxième gaz est donc produit à la sortie 33 du dispositif mélangeur 3 avec un débit de production DP. Les débits D1 et D2 sont conditionnés par le débit DP et par les teneurs C1 , C2 souhaitées en premier et deuxième gaz.
Un problème qui se pose concerne la distribution d’un mélange de gaz vers une unité consommatrice 10 dont la demande en mélange de gaz est fluctuante. Il s’ensuit que le débit d’acheminement du mélange de gaz vers le point 10 va varier.
Afin d’adapter le débit de mélange de gaz produit en sortie du dispositif mélangeur au débit de gaz consommé, la présente invention propose de relier la sortie 33 du mélangeur 3 à l’entrée d’un réservoir tampon 7 par une canalisation 23. Une ligne de distribution 6 est reliée fluidiquement à une sortie du réservoir tampon 7 et permet, en fonctionnement, de distribuer le mélange de gaz vers l’unité consommatrice 10.
Notons que l’installation peut comprendre une ligne de mise à l’air 25 reliée fluidiquement au réservoir tampon 7 avec un évent 15 associé à une soupape, utile en cas de surpression, et à une vanne contrôlant le passage du mélange vers une unité de retraitement de gaz. La vanne permet, au cours des phases de démarrage de la distribution à l’unité consommatrice, de purger les canalisations de l’installation et le réservoir tampon 7.
La distribution du mélange de gaz à l’unité consommatrice 10 a donc lieu à partir du réservoir tampon 7 avec un débit de consommation DC correspondant à la consommation en mélange de l’unité consommatrice 10. Si le débit DC varie au cours du fonctionnement de l’installation de distribution, le débit de production DP en amont du réservoir tampon 7 peut ne plus correspondre à la demande en mélange. Le réservoir tampon 7, grâce au volume supplémentaire qu’il procure sur le circuit de fluide, permet d’assurer une distribution au débit DC même s’il ne correspond pas au débit DP. En particulier, si DP est supérieur à DC, le réservoir 7 évite que le mélange de gaz ne soit forcé vers la ligne de distribution et absorbe ainsi la surproduction. Et si DP est inférieur à DC, le réservoir tampon 7 forme une réserve de mélange dans laquelle l’utilisateur peut puiser, par exemple lorsqu’une consommation débute trop rapidement avec un débit de consommation élevé, ce qui permet d’assurer la distribution au débit DC même en situation de sous-production.
En outre, l’installation comprend un capteur de mesure 8 qui mesure une grandeur physique dont la variation est représentative d’une variation du débit de consommation DC s’écoulant dans la ligne de distribution 6 et fournit un premier signal de mesure correspondant à l’unité de commande 5. En particulier, le premier signal de mesure peut comprendre plusieurs mesures successives réalisées par le capteur 8. L’unité 5 le reçoit et élabore un premier signal de commande qui est transmis aux organes régulateurs de débit 41 , 42 de façon à ajuster la première consigne de débit D1 et la deuxième consigne de débit D2 conformément au premier signal de commande.
La présente invention permet ainsi de recalculer les consignes de débit D1 , D2 paramétrées initialement pour les adapter à une variation du débit de consommation DC et donc à la demande de l’utilisateur. Le dispositif mélangeur 3 produit un débit de mélange dont le contrôle est associé au débit consommé.
Notons qu’en parallèle, l’unité de commande 5 continue de contrôler les ratios D1/DP et D2/DP de manière à ce qu’ils soient conformes aux teneurs en premier gaz et deuxième gaz souhaitées pour le mélange de gaz.
Le procédé selon l’invention met avantageusement en oeuvre une phase dite de démarrage lors du début d’une consommation de mélange par l’unité consommatrice, alors qu’aucune consommation n’était détectée avant. Pendant cette phase de démarrage, on passe d’un débit de production DP nul à une production d’un mélange des premier et deuxième gaz avec un débit de production DP prédéterminé.
En pratique, en phase de démarrage, l’utilisateur peut démarrer la production de mélange de gaz avec un débit DP prédéterminé qui peut être fixé à une valeur minimale dite de démarrage correspondant à un pourcentage prédéterminé du débit de production maximal pouvant être produit. Ce débit de production maximal correspond à la somme d’une première valeur maximale de débit et d’une deuxième valeur maximale de débit que les premier et deuxième organes régulateurs 41 , 42 sont conçus pour distribuer. Avantageusement, le pourcentage prédéterminé est d’au moins 25%, de préférence au moins 35 % et de préférence encore au moins 50% du débit de production maximal. Cela permet d’utiliser le capteur qui mesure le débit dans les régulateurs de débit D1 , D2 dans sa plage de fonctionnement optimale et la plus précise.
Notons qu’avant de distribuer le mélange à l’unité consommatrice 10, le mélange de gaz produit peut être distribué à l’évent 15, dans le cas notamment où la composition du mélange ne serait pas conforme à la composition cible.
L’utilisateur peut éventuellement dans un premier temps paramétrer un débit de production plus élevé que le débit de consommation DC attendu afin de remplir le réservoir tampon 7 et y constituer une réserve de mélange.
Après la phase de démarrage de la consommation, suit une phase de régulation de la production au cours de laquelle le débit de production DP est ajusté en fonction du débit de consommation DC. Au cours de la phase de régulation, l’unité de commande 5 surveille le débit de consommation DC via les mesures reçues du capteur de mesure 8. Si une modification du débit de consommation DC est détectée, l’unité de commande 5 élabore un premier signal de commande pour adapter les débits D1 , D2 distribués en amont du mélangeur afin d’amener le débit DP en adéquation avec le débit DC modifié.
De préférence, le capteur de mesure 8 réalise des mesures en continu ou quasi- continu. De préférence, l’unité de commande 5 est configurée de sorte que l’élaboration du premier signal de commande et/ou la transmission du premier signal de commande aux organes régulateurs de débit n’a lieu qu’à un intervalle de temps prédéterminé, en particulier un intervalle de l’ordre de l’ordre de 1 à 60 secondes. Dit autrement, les consignes de débit sont maintenues pendant cet intervalle de temps, sans qu’un ajustement des consignes ne soit commandé par l’unité de commande 5. Cela permet d’éviter une réaction de l’installation suite à des fluctuations intempestives du débit DC ou bien d’éviter de générer des variations trop rapides du débit DP qui pourraient donner lieu à des erreurs de fonctionnement.
Eventuellement, selon l’amplitude et/ou la vitesse de variation du débit DC, l’unité de commande 5 peut être configurée pour, au moins temporairement, maintenir le débit de production DP. Par exemple, si le débit de consommation DC augmente, l’unité consommatrice connectée à l’unité consommatrice 10 peut puiser dans le réservoir tampon 7 pour palier la sous production du mélangeur 3. Si le débit de consommation DC diminue, le réservoir tampon 7 peut se remplir pour amortir la surproduction du mélangeur 3.
De préférence, l’unité de commande 5 est configurée de façon à arrêter les flux de gaz lorsque la grandeur physique mesurée par le capteur 8 est représentative d’un débit de consommation DC nul. Ainsi, en l’absence de demande, l’installation ne produit pas de mélange de gaz. L’unité de commande 5 peut aussi être configurée pour arrêter les flux de gaz si la grandeur physique mesurée par le capteur 8 est représentative d’un débit de consommation DC est faible, i. e. inférieur à un seuil de débit bas donné, afin d’éviter une surpression dans le réservoir tampon 7. L’unité de commande 5 peut aussi être configurée pour générer un signal d’alarme lorsque la grandeur physique mesurée par le capteur 8 est représentative d’un débit de consommation DC supérieur à un seuil de débit haut donné.
Avantageusement, l’installation selon l’invention met en oeuvre une première boucle d’asservissement des première et deuxième consignes de débit D1 , D2 sur le premier signal de mesure. Par « boucle d’asservissement » on entend généralement un système de contrôle d’un procédé dans lequel une grandeur réglante agit sur une grandeur réglée, i. e. une grandeur à asservir, pour l’amener le plus rapidement possible à une valeur de consigne et l’y maintenir. Le principe de base d'un asservissement est de mesurer, en permanence, l'écart entre la valeur réelle de la grandeur à asservir et la valeur de consigne que l'on désire atteindre, et de calculer la commande appropriée à appliquer à un ou plusieurs actionneurs de façon à réduire cet écart le plus rapidement possible. On parle également de système commandé en boucle fermée.
Dans la première boucle d’asservissement, la grandeur réglante est la grandeur physique mesurée par le capteur de mesure 8, la grandeur réglée est le débit de production DP, via le réglage des débits D1 et D2 de premier et deuxième gaz. La consigne est variable selon les conditions de consommation du mélange.
Outre le capteur 8, la première boucle d’asservissement comprend un premier comparateur 11 A agencé au sein de l’unité de commande 5 et configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir du premier signal de mesure. Le premier signal d’erreur peut être représentatif d’une variation de la grandeur physique mesurée. Il est avantageusement obtenu par comparaison avec au moins une mesure de ladite grandeur physique effectuée à un autre instant.
De plus, la première boucle comprend un premier correcteur 12A agencé au sein de l’unité de commande 5 et configuré pour élaborer le premier signal de commande à partir du premier signal d’erreur.
Le premier correcteur 12A envoie le signal de commande à des actionneurs qui commandent un déplacement, en réponse au premier signal de commande, des premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 dans des positions respectives dans lesquelles la première consigne de débit D1 et la deuxième consigne de débit D2 sont ajustées conformément au premier signal de commande. Typiquement, les actionneurs commandent le déplacement de parties mobiles au sein des organes régulateurs, lesquelles font varier les débits D1 , D2 envoyés au dispositif mélangeur 3 dans un sens tendant à réduire l’écart entre les débits DP et DC.
De préférence, le premier correcteur 12A est du type proportionnel, intégral et dérivé (PID), ce qui permet d’améliorer les performances d'un asservissement grâce à trois actions combinées : une action proportionnelle, une action intégrale, une action dérivée.
De préférence, et comme évoqué précédemment, l’action correctrice de la première boucle d’asservissement n’est appliquée aux consignes D1 , D2 qu’à un intervalle de temps prédéterminé, de préférence un intervalle compris entre 1 et 60 s, de préférence encore de l’ordre de 20 s, afin d’éviter des variations trop rapides du débit de production qui peuvent créer des erreurs. Cet intervalle de temps peut être un paramètre du premier correcteur 12A.
Le premier correcteur 12A peut comporter notamment un microprocesseur, des registres de mémoire, des instructions de programmation pour traiter le premier signal d'erreur et élaborer par calcul numérique les termes proportionnel, intégral, et dérivé de la boucle d’asservissement. Ces termes, qui peuvent être déterminés par calcul et/ou expérimentalement, sont combinés pour fournir le signal de commande des organes régulateurs 41 , 42. Le terme dérivé du D peut éventuellement être nul.
La figure 1 illustre un mode de réalisation dans lequel le signal de mesure est obtenu par un capteur de débit 8, également appelé débitmètre, agencé sur la ligne de distribution 6 de façon à mesurer directement le débit de consommation DC distribué à l’unité consommatrice 10. Les signaux reçus et envoyés aux différents éléments de l’installation sont schématisés par les lignes en tirets référencées « A ».
Typiquement, si le débit DC augmente, le signal de commande ordonne une augmentation des première et deuxième consignes de débits D1 , D2 et une diminution des première et deuxième consignes de débits D1 , D2 si le débit DC diminue.
Notons que dans le cadre de l’invention, chacun des premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 peut se déplacer entre une position fermée dans laquelle la première consigne de débit D1 ou la deuxième consigne de débit D2 est nulle et une position totalement ouverte dans laquelle la première consigne de débit D1 ou la deuxième consigne de débit D2 présentent respectivement une première valeur maximale de débit ou une deuxième valeur maximale de débit.
Les premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 peuvent éventuellement occuper au moins une position intermédiaire entre la position fermée et la position ouverte. De préférence, ladite position intermédiaire correspondant à une première consigne de débit D1 ou une deuxième consigne de débit D2 supérieure ou égale à une première valeur minimale de débit ou une deuxième valeur minimale de débit. De préférence, la première valeur minimale de débit et/ou la deuxième valeur minimale de débit est égale à au moins 25%, de préférence encore au moins 35%, voire au moins 50%, de la première ou deuxième valeur maximale respective. Cela permet de travailler sur des plages de débit où la précision des organes régulateurs 41 , 42, plus précisément la précision des capteurs de débit mis en œuvre dans les organes régulateurs, est meilleure.
Selon une variante de réalisation, l’installation met en œuvre un capteur de pression 8 mesurant la pression régnant dans le réservoir tampon 7 en tant que grandeur physique représentative du débit de consommation DC. Les fluctuations de débit de consommation DC sont ainsi déterminées de façon indirecte, via la détermination de fluctuations de pression dans le réservoir tampon 7. La représentation de la figure 1 reste applicable hormis que le signal de mesure est produit par le capteur 8 relié au réservoir tampon et non par le capteur 8 relié à la ligne 6.
Notons que l’installation selon l’invention peut comprendre deux capteurs 8, l’un de débit et l’autre de pression. Ces capteurs sont tels que décrits précédemment et produisent chacun un premier signal de mesure respectif. En fonction de critères de choix prédéterminés, l’unité de commande 5 est configurée pour élaborer le premier signal de commande à partir du signal de mesure provenant de l’un ou l’autre des capteurs 8. De préférence, l’unité de commande 5 choisit d’utiliser le premier signal de mesure provenant de celui des deux capteurs de mesure 8 qui mesure une valeur de grandeur physique représentative du débit le plus élevé.
En pratique, si le débit DC augmente à l’unité consommatrice 10, le débit de production DP produit en sortie du dispositif mélangeur 3 va commencer à devenir insuffisant. L’installation consommatrice connectée à l’unité consommatrice 10 va puiser dans le réservoir tampon 7 pour compenser la sous-production du mélangeur 3, entraînant une diminution de la pression dans le réservoir 7.
Le capteur de pression 8 envoie le premier signal de mesure au premier comparateur 11 A qui élabore un premier signal d’erreur correspondant à l’information de baisse de pression et le transmet au premier correcteur 12A pour qu’il calcule un premier signal de commande appliqué aux premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 de sorte que les première et deuxième consignes de débits D1 , D2 augmentent d’un facteur approprié, qui peut être déterminé par la première boucle de régulation.
Selon une possibilité de réalisation, le premier comparateur 11A est configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir d’une comparaison du premier signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : un seuil de pression bas, un seuil de pression haut. Ces seuils peuvent être ajustés en fonction des conditions opératoires, des caractéristiques de l’installation, ... Lorsque la pression dans le réservoir tampon 7 atteint le seuil de pression bas, le premier correcteur commande aux organes régulateurs de débit de réguler l’écoulement des premier et deuxième gaz selon des consignes de débit D1 , D2 données.
Ce mode de fonctionnement peut être mis en œuvre pendant les phases de régulation ainsi que pendant les phases de démarrage de la consommation. Dans le cas d’une phase de démarrage, dès que la pression dans le réservoir tampon 7 atteint le seuil de pression bas, on commande aux organes régulateurs de débit de réguler l’écoulement des premier et deuxième gaz de manière à produire le mélange de gaz avec le débit DP fixé à la valeur de démarrage. En particulier, les consignes de débit D1 , D2 peuvent correspondre respectivement à la première valeur minimale de débit et à la deuxième valeur minimale de débit. Les organes régulateurs de débit 41 , 42 commencent à produire chacun des débits minimaux conduisant à un débit DP égal à la valeur de démarrage jusqu’à atteindre le seuil de pression haut dans la réservoir tampon 7.
Selon une possibilité, si la pression dans le réservoir 7 n’augmente pas suffisamment, en particulier si le seuil de pression haut n’est pas atteint, ou si la pression n’augmente pas assez rapidement, les consignes de débit D1 , D2 sont augmentées en suivant un schéma de régulation par le premier correcteur 12A, de préférence de type PID, dans lequel l’augmentation des débits est fonction de la baisse de la pression.
Si la pression dans le réservoir 7 atteint le seuil de pression haut, les organes régulateurs de débit 41 , 42 peuvent être déplacés vers leur positions fermées respectives dans lesquelles les débits D1 , D2 sont nuis.
La figure 2 schématise un exemple de l’effet d’une première boucle d’asservissement avec un premier correcteur de type PID dans lequel le débit de production DP, correspondant à la somme de D1 et D2, est corrigé en fonction de la variation de la pression P7 dans le réservoir tampon 7. Le débit de production DP maximal de l’installation, correspondant à la somme des première et deuxième valeurs maximales de débit, est paramétré à 100 sL/min (litre standard par minute), i.e. 6 Nm3/h (normo mètre cube par heure). Le débit de production DP minimal de l’installation, correspondant à la somme des première et deuxième valeurs minimales de débit, est paramétré à 25 sL/min (litre standard par minute), i.e. 1 ,5 Nm3/h. Les seuils de pression haute et basse sont paramétrés respectivement à 4 bar et 3,8 bar.
La figure 2 représente schématiquement différents cas de figures qui peuvent être rencontrés lors du fonctionnement de l’installation. Si DP=DC, la pression reste stable à 4 bar (flèche grise en bas à droite de la figure 2). Par la suite, en supposant que DC >0 mais DP=0, la pression dans le réservoir tampon va baisser jusqu’à 3,8 bar (déplacement vers la gauche le long de la flèche grise). Cette pression est la pression de démarrage des régulateurs de débit. Le débit DP est à sa valeur minimale de démarrage, i. e. 25 sL/min Dès que l’unité de commande a commandé les régulateurs de débit pour produire un débit DP<DC, la pression va baisser jusqu’à ce qu’on atteigne un débit DC égal au débit DP maximal de l’installation, i. e. 100 sL/min (déplacement du bas vers le haut le long des flèches grises). Dès que DC diminue, c’est-à-dire DP>DC, le réservoir tampon commence à se remplir et la pression augmente de 3,5 bar à 4 bar (en suivant les flèches avec traits noirs). 4 bar est la pression d’arrêt de remplissage du réservoir tampon.
Un exemple de ce qui se passe en pratique est représenté en figure 3 montrant l’évolution temporelle de la pression régnant dans le réservoir tampon (courbe en tirets) et du débit de production DP (courbe en trait plein). Au début du graphique (zone A) s’il n’y a pas de baisse de la pression, la consigne de débit reste à 0. Dès que la pression baisse (zone B), on donne des consignes de débit aux régulateurs de débit D1 et D2, qui sont incrémentés à un intervalle régulier si la pression ne se stabilise pas. Dès que la pression est stabilisée, on arrête de remplir le réservoir tampon (zone C). Si la pression chute de nouveau (zone D), les consignes des régulateurs de débit seront ajustées aux valeurs souhaitées afin de permettre de prévoir la consommation DC et maintenir la pression du réservoir tampon stable.
A noter que le normo mètre cube est une unité de mesure de quantité de gaz qui correspond au contenu d’un volume d’un mètre cube, pour un gaz se trouvant dans les conditions normales de température et de pression (0 ou 15 ou plus rarement 20°C selon les référentiels et 1 atm, soit 101 325 Pa). Pour un gaz pur, un normo mètre cube correspond à environ 44,6 moles de gaz.
Notons que le réservoir tampon présente avantageusement un volume interne égal à au moins la moitié du débit de production DP maximal DP de l’installation.
DPmax
Volume tampon minimal — - -
2
Le respect de ce volume interne minimal permet d’absorber les variations de pression liées au caractère intempestif de DC. Le réservoir tampon peut présenter un volume interne d’au moins 1 L, voire au moins 50 L, voire encore 1000 L ou plus. De préférence, le volume interne du réservoir tampon sera compris entre 50 et 400 L. Le réservoir peut être formé d’un réservoir unique ou de plusieurs réservoirs reliés fluidiquement entre eux, le volume interne du réservoir tampon s’entendant alors de la somme des volumes des réservoirs.
Comme on le voit sur la figure 1 , l’installation peut comprendre en outre une première unité d’analyse 13 configurée pour analyser au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange de gaz distribué par la ligne d’alimentation 6. Cela permet notamment, au cours de la phase de démarrage de l’installation, de conditionner la distribution du mélange de gaz à la conformité des teneurs mesurées avec les teneurs cibles. Une tolérance de l’ordre de 0,1 à 5% (% relatif) par rapport aux teneurs cibles C1 , C2 peut être fixée. Si le mélange produit n’est pas conforme, la production peut éventuellement être stoppée. De préférence, la première unité d’analyse 13 est configurée pour analyser la teneur en premier gaz, qui peut être en particulier le gaz minoritaire dans le mélange de gaz. En outre, l’installation selon l’invention peut comprendre une deuxième unité d’analyse 14 agencée en amont du réservoir tampon 7 de façon à mesurer au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange de gaz produit par le dispositif mélangeur 3. La deuxième unité d’analyse 14 est configurée pour fournir en conséquence au moins un deuxième signal de mesure à destination de l’unité de commande 5, laquelle élabore un deuxième signal de commande à partir du deuxième signal de mesure. Le deuxième signal de commande est utilisé pour commander l’un et/ou l’autre des organes régulateurs de débit 41 , 42 de façon à ajuster l’une et/ou l’autre des proportions de la première consigne de débit D1 et de la deuxième consigne de débit D2 par rapport au débit de production DP de sorte que la composition effective du mélange de gaz sortant du dispositif mélangeur 3 se rapproche de la composition cible à teneurs C1 , C2 (C2 étant de préférence déduit de C1 et non mesurée). Les signaux reçus et envoyés aux différents éléments de l’installation dans le cadre du contrôle de la composition du mélange sont schématisés par les lignes en tirets « B ».
Ce contrôle des teneurs du mélange produit par le dispositif mélangeur permet de compenser d’éventuelles erreurs entre les débits effectivement réglés par les organes régulateurs de débit 41 , 42 et les consignes de débit D1 , D2 qui leur sont appliquées. L’agencement d’un point de prélèvement situé entre la sortie du dispositif mélangeur et l’entrée du réservoir tampon 7 permet de détecter et de réagir plus rapidement à d’éventuelles variations de teneurs, évitant ainsi le risque de consommer un mélange non conforme dans le réservoir tampon 7.
Notons que la canalisation prélevant le mélange et le conduisant dans l’unité d’analyse a avantageusement une longueur la plus faible possible afin que l’analyseur fournisse une réponse très précise en temps réel ou quasi-réel. De préférence, la canalisation est telle que le décalage entre le moment où le mélange est prélevé en son point de prélèvement et le moment où l’unité d’analyse donne sa mesure est minimal, typiquement inférieur à 30 secondes, en particulier compris entre 1 et 30 secondes. De préférence, le deuxième signal de commande est élaboré à partir d’un deuxième signal d’erreur contenant au moins une information sur l’écart entre une teneur mesurée et une teneur cible, pour le premier gaz ou le deuxième gaz. De préférence, seule la teneur en le premier gaz est mesurée et comparée à sa valeur cible, le premier gaz étant le gaz minoritaire du mélange. Cet écart peut être notamment exprimé comme : où Mi est la teneur mesurée pour le premier gaz. L’écart relatif ACi peut être utilisé comme facteur de correction de la première consigne de débit D1 .
Considérons l’exemple d’une installation configurée pour produire un mélange à deux gaz avec un débit de production DP en sortie du dispositif mélangeur 3 de 100 sL/min. Le mélange de gaz souhaité est un mélange formé du premier gaz avec une teneur cible C1 de 4% et du deuxième gaz pour le reste, donc avec une teneur C2 de 96% (% volumique). Une première consigne de débit D1 de 4 sL/min (0,24 Nm3/h), correspondant à une proportion de 4% par rapport à DP, et une deuxième consigne D2 de 96 sL/min (5 ,76 Nm3/h), correspondant à une proportion de 96% par rapport à DP, sont donc appliquées aux organes régulateurs de débit 41 , 42 respectifs. On suppose une précision de réglage des organes 41 , 42 de plus ou moins 1 %. Prenons l’exemple d’une erreur de -1 % sur D1 et de +1 % sur D2. Cela conduit à un débit réel de premier gaz égal à 3,96 sL/min, à un débit réel de deuxième gaz égal à 96,96 sL/min et à un débit de production réel de 100,92 sL/min. Une teneur en premier gaz de 3,92% est mesurée en sortie du dispositif mélangeur 3, correspondant à un écart ACi de -2% (% relatif) par rapport à la teneur cible C1. L’unité de commande 5 élabore un deuxième signal de commande commandant aux organes régulateurs de débit 41 , 42 un ajustement des proportions de débit D1 et D2 par rapport à DP de façon à compenser cet écart. La première consigne D1 est donc ajustée à D1+2%, soit 4,08 sL/min.
De préférence, seule la première consigne D1 est ajustée en fonction du deuxième signal de mesure, l’unité de commande 5 commandant le maintien de D2. Etant entendu qu’il est envisageable que D2 aussi soit ajusté en réponse au deuxième signal de commande. Dans l’exemple ci-dessus, D2 serait ajusté à 95,04 sL/min. Notons que la correction peut également être opérée via l’application d’un facteur de correction à au moins une des teneurs cible enregistrée préalablement dans l’unité de commande 5, dans l’exemple ci-dessus une correction d’un facteur égal à 0,03, ce qui a pour effet d’ajuster en conséquence D1 à 4,08 sL/min.
Optionnellement, l’installation peut comprendre une alarme configurée pour émettre un signal d’alarme si la première unité d’analyse et/ou la deuxième unité d’analyse détecte des teneurs en dehors des plages de tolérance prévues.
La première unité d’analyse 13 et/ou la deuxième unité d’analyse 14 peuvent être choisies notamment parmi les types de détecteurs suivants : un détecteur de conductivité thermique, un détecteur de pression alternante paramagnétique, un détecteur à adsorption catalytique, un détecteur à absorption dans l'infrarouge non dispersive, un spectromètre infrarouge. On pourra adapter le type d’unité d’analyse selon la nature des gaz à analyser. On pourra éventuellement intervertir les première 13 et deuxième 14 unités d’analyses. De préférence, les première 13 et deuxième 14 unités d’analyses sont reliées à l’évent 15 de façon à y évacuer le mélange de gaz analysé.
Selon un mode de réalisation, l’installation peut comprendre une deuxième boucle d’asservissement des proportions respectives de la première consigne de débit D1 et/ou de la deuxième consigne de débit D2 par rapport au débit de production DP sur le deuxième signal de mesure fourni par la deuxième unité d’analyse 14.
Dans la deuxième boucle d’asservissement, les grandeurs réglantes sont la ou les teneurs mesurées par la deuxième unité d’analyse 14, les grandeurs réglées sont l’une et/ou l’autre des proportions D1/DP, D2/DP. La consigne est variable selon la ou les teneurs effectives mesurées.
La deuxième boucle comprend un deuxième comparateur 11 B agencé au sein de l’unité de commande 5 et configuré pour élaborer au moins un deuxième signal d’erreur à partir d’une comparaison du deuxième signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : la teneur cible C1 en le premier gaz, la teneur cible C2 en le deuxième gaz. Un deuxième correcteur 12B est agencé au sein de l’unité de commande 5, en particulier du type PID, et configuré pour élaborer le deuxième signal de commande à partir du deuxième signal d’erreur. En réponse au deuxième signal de commande, les actionneurs des premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 commandent le déplacement des premier et deuxième organes régulateurs de débit 41 , 42 dans des positions respectives dans lesquelles les proportions de D1 et/ou D2 par rapport à DP sont conformes au deuxième signal de commande. De préférence, seule la proportion de D1 est ajustée, la boucle de régulation ordonnant à D2 de rester fixe.
Notons que le premier comparateur et le deuxième comparateur peuvent éventuellement former une même entité configurée pour recevoir en données d’entrée à la fois les mesures du capteur 8, de la deuxième unité d’analyse 14 et produire en sortie les signaux d’erreur appropriés. Il en est de même pour les premier et deuxième correcteurs.
L'installation selon l'invention peut servir à la distribution de mélanges de gaz utilisés dans différentes industries telles que les industries du semi-conducteur, du photovoltaïque, des LED, des écrans plats ou toute autre industrie comme les industries minières, pharmaceutiques, spatiales ou aéronautiques.
De préférence, l’installation comprend au moins une armoire à gaz (en anglais « gas cabinet ») dans laquelle sont installés au moins l’unité de commande 5, le dispositif mélangeur 3, les organes régulateurs de débit, le capteur de mesure 8, le réservoir tampon 7. Les sources de premier et deuxième gaz peuvent être situées dans ou en- dehors de l’armoire. De préférence, les sources sont situées en-dehors de l’armoire afin que celle-ci conserve un encombrement raisonnable. De préférence, l’unité de commande 5 est agencée à l’extérieur de l’armoire, soit en étant fixée sur une des parois de l'armoire, soit positionnée à distance de l’armoire.
L’armoire à gaz peut comprendre un logement avec un mur arrière, des flancs, une paroi avant, un fond, et un plafond. Dans le logement, un ou plusieurs réservoirs tampons sont prévus qui se dressent sur le fond et peuvent être fixées dans le logement de manière connue dans l’état de la technique. Un système de conduites de gaz est arrangé dans ledit logement, de préférence contre le fond de l’armoire. L’armoire peut comprendre des moyens de contrôle et/ou de maintenance du système de conduites de gaz tels que des vannes, des détendeurs, des organes de mesure de pression,... permettant de réaliser les opérations telles que la distribution de gaz, l’ouverture ou la fermeture de certaines conduites ou portions de conduites, la gestion de la pression de gaz, la réalisation de cycles de purge, de tests de fuite,... Le logement comprend des ouvertures d’entrée de gaz pour une alimentation avec les premier et deuxième gaz et une ouverture de sortie de gaz pour la distribution du mélange de gaz. La ligne de distribution 6 est reliée à l’ouverture de sortie. En fonctionnement, l’armoire à gaz est raccordée à l’unité de consommation par la ligne de distribution 6. D’autres entrées de gaz peuvent être prévues, notamment pour un gaz de balayage ou un gaz étalon pour la calibration des analyseurs.
L’installation selon l’invention peut notamment être utilisée pour produire des mélanges de gaz ayant les compositions suivantes :
- hydrogène (H2) dans un gaz inerte tel l’azote (N2), l’argon ou l’hélium,
- hélium dans un gaz inerte tel l’azote ou l’argon,
- dioxyde de carbone (CO2) dans un gaz inerte tel l’azote, l’argon ou l’hélium,
- méthane (CHU) dans un gaz inerte tel l’azote, l’argon ou l’hélium,
- oxygène (O2) dans un gaz inerte tel l’azote, l’argon ou l’hélium.
De préférence, les teneurs cibles C1 en le premier gaz, en particulier les teneurs cible en H2, hélium, CO2, CH4, O2, sont comprises entre 0,0001 et 50%, de préférence entre 0,1 et 20%, le reste étant le deuxième gaz.
Afin de démontrer l’efficacité d’une installation selon l’invention, on a procédé à la réalisation et la distribution sur site d’un mélange comprenant de l’hydrogène en tant que premier gaz dans de l’azote en tant que deuxième gaz. La teneur cible C1 en hydrogène était de 4% (% en volume). L’installation comprenait une première boucle d’asservissement de type PID telle que décrite ci-dessus et éventuellement, selon les exigences de précision nécessitées par l’unité consommatrice, une deuxième boucle d’asservissement.
La figure 4 montre un enregistrement du débit de mélange de gaz DC distribué par la ligne de distribution d’une installation comprenant une deuxième boucle d’asservissement avec la teneur en hydrogène mesurées pendant cet enregistrement. La figure 5 est un agrandissement de l’enregistrement de la teneur de la figure 4.
Un débit de mélange de gaz DC variable entre typiquement 0 et 150 sL/min a pu être produit avec une stabilité de la teneur se caractérisant par un écart-type relatif (Relative Standard Déviation en anglais) de l’ordre de 3% sans deuxième boucle d’asservissement et de l’ordre de 1 % avec deuxième boucle d’asservissement. Il est à noter que la présente description décrit un mélange de gaz à deux constituants mais qu’elle est transposable à tout mélange ayant un plus grand nombre de constituants. Par exemple, dans le cas d’un mélange de gaz ternaire, trois sources distribuent chacune un premier gaz, un deuxième gaz, un troisième gaz. Des organes régulateurs de débit 41 , 42, 43 reçoivent pour consigne de l’unité de commande 5 de réguler l’écoulement des premier, deuxième gaz et troisième gaz à des consignes de débit respectives D1 , D2, D3. Le dispositif mélangeur est configuré pour distribuer un mélange de débit DP égal à la somme de D1, D2, D3. Les proportions de premier, deuxième gaz et troisième gaz par rapport à DP sont déterminées en fonction d’au moins deux parmi trois teneurs cibles C1, C2, C3 du mélange de gaz en le premier gaz, le deuxième gaz et le troisième gaz respectivement. Tout ou partie des caractéristiques déjà décrites pour un mélange à deux gaz sont transposables à ce mélange à trois ou plus gaz.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Installation de distribution d’un mélange de gaz comprenant :
- une source d’un premier gaz (1 ),
- une source d’un deuxième gaz (2),
- un dispositif mélangeur (3) reliée fluidiquement à la source de premier gaz (1 ) et à la source de deuxième gaz (2), ledit dispositif mélangeur (3) étant configuré pour produire à une sortie (33) un mélange de gaz comprenant le premier gaz et le deuxième gaz,
- un premier organe régulateur de débit (41 ) et un deuxième organe régulateur de débit (42) configurés pour réguler respectivement le débit du premier gaz et le débit du deuxième gaz s’écoulant vers dispositif mélangeur (3) suivant une première consigne de débit (D1 ) et une deuxième consigne de débit (D2) définissant en fonctionnement, un débit de production (DP) du mélange de gaz à la sortie (33) du dispositif mélangeur (3),
- une unité de commande (5) configurée pour commander les premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) de façon à ajuster la première consigne de débit (D1 ) et la deuxième consigne de débit (D2) selon des proportions respectives par rapport au débit de production (DP), lesdites proportions respectives étant déterminées en fonction d’au moins une teneur cible (C1 , C2) du mélange de gaz en le premier gaz et/ou le deuxième gaz,
- un réservoir tampon (7) relié fluidiquement à la sortie (33) du dispositif mélangeur (3) d’une part et à une ligne de distribution (6) d’autre part, la ligne de distribution (6) étant configurée pour distribuer le mélange de gaz vers une unité consommatrice (10) avec un débit de consommation (DC) représentatif d’une consommation variable du mélange de gaz,
- au moins un capteur de mesure (8) configuré pour mesurer une grandeur physique dont la variation est représentative d’une variation du débit de consommation (DC) distribué par la ligne de distribution (6) et pourfournir un premier signal de mesure de ladite grandeur physique, l’unité de commande (5) étant reliée au capteur de mesure (8) et configurée pour élaborer un premier signal de commande à partir du premier signal de mesure, les organes régulateurs de débit (41 , 42) étant configurés pour ajuster la première consigne de débit (D1 ) et la deuxième consigne de débit (D2) en réponse audit premier signal de commande.
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu’elle comprend une première boucle d’asservissement des première et deuxième consignes de débit (D1 , D2) sur le premier signal de mesure fourni par le capteur de mesure (8), ladite première boucle comprenant :
- un premier comparateur (11 A) agencé au sein de l’unité de commande (5) et configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir du premier signal de mesure,
- un premier correcteur (12A) agencé au sein de l’unité de commande (5), en particulier du type proportionnel, intégral et dérivé (PID), et configuré pour élaborer le premier signal de commande à partir du premier signal d’erreur,
- des actionneurs des premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) reliés au premier correcteur (12A) et configurés pour recevoir le premier signal de commande et pour déplacer les premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) dans des positions respectives dans lesquelles la première consigne de débit (D1 ) et la deuxième consigne de débit (D2) sont conformes au premier signal de commande.
3. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur de mesure (8) comprend un capteur de débit ou débitmètre configuré pour mesurer le débit de consommation (DC).
4. Installation selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le premier comparateur (11 A) est configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur représentatif d’une variation du débit de consommation (DC) et le premier correcteur (12A) est configuré pour élaborer un premier signal de commande commandant un déplacement des premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) de sorte que les première et deuxième consignes de débits (D1 , D2) varient dans le même sens que celui de la variation du débit (DC).
5. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le capteur de mesure (8) comprend un capteur de pression configuré pour mesurer la pression régnant dans le réservoir tampon (7).
6. Installation selon les revendications 2 et 5, caractérisée en ce que le premier comparateur (11 A) est configuré pour élaborer un premier signal d’erreur représentatif d’une variation de la pression dans le réservoir tampon (7) et le premier correcteur (12A) est configuré pour élaborer au moins un premier signal de commande commandant un déplacement des premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) de sorte que les première et deuxième consignes de débits (D1 , D2) varient dans un sens opposé à celui de la variation de la pression.
7. Installation selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le premier comparateur (11 A) est configuré pour élaborer au moins un premier signal d’erreur à partir d’une comparaison du premier signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : un seuil de pression bas, un seuil de pression haut.
8. Installation selon l’une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que chacun des premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) peut se déplacer entre une position fermée dans laquelle la première consigne de débit (D1 ) ou la deuxième consigne de débit (D2) est nulle et une position totalement ouverte dans laquelle la première consigne de débit (D1 ) ou la deuxième consigne de débit (D2) présentent respectivement une première valeur maximale de débit ou une deuxième valeur maximale de débit, les premier et deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) pouvant occuper au moins une position intermédiaire entre la position fermée et la position ouverte avec ladite position intermédiaire correspondant de préférence à une première consigne de débit (D1 ) ou une deuxième consigne de débit (D2) égale à au moins 25%, de préférence encore au moins 35%, de sa première ou deuxième valeur maximale respective.
9 Installation selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réservoir tampon a un volume interne égal à au moins la moitié du débit de production maximal de l’installation.
10. Installation selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend une première unité d’analyse (13) agencée en aval du réservoir tampon (7) et configurée pour analyser au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange distribué par la ligne d’alimentation (6).
11. Installation selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend une deuxième unité d’analyse (14) configurée pour mesurer au moins une teneur en le premier gaz et/ou le deuxième gaz du mélange de gaz produit à la première sortie (33) du dispositif mélangeur (3) et pour fournir en conséquence au moins un deuxième signal de mesure, l’unité de commande (5) étant reliée à la deuxième unité d’analyse (14) et configurée pour élaborer un deuxième signal de commande à partir du deuxième signal de mesure et pour modifier la proportion de la première consigne de débit (D1) et/ou la proportion de la deuxième consigne de débit (D2) par rapport au débit de production (DP) en réponse audit deuxième signal de commande.
12. Installation selon la revendication 11 , caractérisée en ce qu’elle comprend une deuxième boucle d’asservissement des proportions respectives de la première consigne de débit (D1) et/ou de la deuxième consigne de débit (D2) par rapport au débit de production (DP) sur le deuxième signal de mesure fourni par la deuxième unité d’analyse (14), la deuxième boucle comprenant :
- un deuxième comparateur (11 B) agencé au sein de l’unité de commande (5) et configuré pour élaborer au moins un deuxième signal d’erreur à partir d’une comparaison du deuxième signal de mesure avec au moins un paramètre choisi parmi : une teneur cible (C1 ) en le premier gaz, une teneur cible (C2) en le deuxième gaz,
- un deuxième correcteur (12B) agencé au sein de l’unité de commande (5), en particulier du type proportionnel, intégral et dérivé (PID), et configuré pour élaborer le deuxième signal de commande à partir du deuxième signal d’erreur,
- les actionneurs des premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) étant reliés au deuxième correcteur (12B) et configurés pour déplacer les premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) dans des positions respectives dans lesquelles les proportions des première consigne de débit (D1) et/ou de deuxième consigne de débit (D2) par rapport au débit de production (DP) sont conformes au deuxième signal de commande.
13. Installation selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’unité de commande (5) comprend une interface homme-machine (300) comprenant : - une interface de saisie, notamment un écran tactile, configurée pour la saisie par un utilisateur d’au moins une teneur cible (C1 , C2) du premier gaz et/ou du deuxième gaz dans le mélange de gaz,
- au moins une règle de calcul pour calculer, à partir de ladite teneur cible, les proportions prédéterminées de première consigne de débit (D1) et/ou de deuxième consigne de débit (D2) par rapport au débit de production (DP).
14. Ensemble de distribution de mélange de gaz comprenant une installation selon l’une des revendications précédentes et une unité consommatrice (10) dudit mélange de gaz, ladite installation et ladite unité consommatrice (10) étant mises en communication fluidique via la ligne de distribution (6).
15. Procédé de distribution d’un mélange de gaz comprenant les étapes suivantes: a) passage du premier gaz (1) dans un premier organe régulateur de débit (41) de façon à distribuer le premier gaz (1 ) avec une première consigne de débit (D1 ) vers un dispositif mélangeur (3), b) passage d’un deuxième gaz (2) dans un deuxième organe régulateur de débit (42) de façon à distribuer le deuxième gaz (2) avec une deuxième consigne de débit (D2) vers le dispositif mélangeur (3), c) production par une sortie (33) du dispositif mélangeur (3) d’un mélange de gaz comprenant le premier gaz et le deuxième gaz avec un débit de production (DP), d) ajustement par commande des premier et/ou deuxième organes régulateurs de débit (41 , 42) de la première consigne de débit (D1) et de la deuxième consigne de débit (D2) selon des proportions respectives par rapport au débit de production (DP), lesdites proportions respectives étant déterminées en fonction d’au moins une teneur cible (C1 , C2) du mélange de gaz en le premier gaz et/ou le deuxième gaz, e) introduction, via un réservoir tampon (7), du mélange produit à l’étape d) dans une ligne de distribution (6) et distribution du mélange de gaz vers une unité consommatrice (10) avec un débit de consommation (DC) représentatif d’une consommation variable de mélange de gaz, f) mesure d’une grandeur physique dont la variation est représentative d’une variation du débit de consommation (DC) distribué par la ligne de distribution (6), g) élaboration à partir de la mesure faite à l’étape f) d’au moins un premier signal de mesure et ajustement par commande des premier et deuxième organes régulateurs de débit (41, 42) de la première consigne de débit (D1) et la deuxième consigne de débit (D2) en fonction dudit premier signal de mesure.
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