FR2765966A1 - Procede et dispositif pour determiner la masse volumique d'un gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer la masse volumique normale d'un gaz. Pour cela :- on remplit et on met à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens (20) d'alimentation sous pression, une enceinte (12) pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique,- on laisse s'échapper ledit gaz au travers de moyens de purge (30) munis d'une tuyère sonique (40), et on mesure le temps DELTAt mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte (12), d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi, à une seconde pression P2 inférieure à cette première pression P1,- on détermine par calcul la masse volumique rho du gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur (60) et faisant intervenir ledit temps DELTAt mesuré, la température T du gaz, et une constante k établie par étalonnage du calculateur (60) à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
Description
La présente invention concerne un procédé et un dispositif associé pour déterminer la masse volumique normale (ou la densité) d'un gaz.
A toutes fins utiles, on définira sous le terme "pression atmosphérique normale", la pression qui règne au niveau de la mer, soit 1013,25 millibars. De même, on utilisera le terme "masse volumique" pour définir la masse volumique du gaz étudié ramenée aux conditions normales de température et de pression (autrement appelée masse volumique normale), c'est-à-dire à la pression atmosphérique normale déjà citée et à une température de 273,15 "K.
La mesure de la masse volumique (ou de la densité) d'un gaz est actuellement utile, soit pour connaître localement la variation de la composition du gaz délivré, soit pour améliorer le calcul du débit transitant par un appareillage de comptage de type compteur à gaz, en particulier pour une distribution domestique ou industrielle.
On connaît déjà un dispositif de ce type appelé couramment "densimètre de Schilling" comprenant une cuve replie d'eau dans laquelle plonge une éprouvette ouverte à sa partie inférieure et munie, à sa partie supérieure, d'une entrée d'alimentation en gaz et d'une sortie de purge munie d'un orifice calibré. L'éprouvette est remplie du gaz à étudier qui se trouve alors au-dessus de l'eau. On mesure le temps gt mis par l'eau, remontant en chassant le gaz par l'orifice calibré (à l'endroit duquel ledit gaz subit une transformation isenthalpique du type détente de Joule-Thompson), pour remonter en passant entre deux traits a et b (a étant plus bas que b) tracés sur la paroi de l'éprouvette. Bien sûr, on aura déterminé auparavant avec de l'air, dont la densité vaut 1, le temps La mis par l'eau pour passer devant lesdits traits a et b dans ]es mêmes conditions de pression et de température. On obtient alors la densité d du gaz étudié par la relation: d=tg/ta
Mais ce densimètre fonctionne à une pression proche de la pression atmosphérique normale (quelques millibars au-dessus) et utilise une colonne d'eau encombrante pour déterminer Je volume de gaz à faire transiter au travers de l'orifice calibré (volume déterminé par les deux traits a et b de l'éprouvette). De plus, ce volume, la pression et la température du gaz à mesurer sont constants. Ce dispositif est aussi peu maniable (lourd et encombrant) et demande beaucoup de maintenance (nettoyage, ). Enfin, le gaz étant au contact de l'eau puisqu'il est injecté dans ou au-dessus d'elle (mais il se trouve obligatoirement au-dessus d'elle une fois totalement injecté) avant de purger l'éprouvette, celui-ci est saturé d'eau, ce qui, d'une part peut modifier légèrement sa masse densité, et d'autre part nécessite une étape de déshydratation avant de pouvoir l'exploiter.
Mais ce densimètre fonctionne à une pression proche de la pression atmosphérique normale (quelques millibars au-dessus) et utilise une colonne d'eau encombrante pour déterminer Je volume de gaz à faire transiter au travers de l'orifice calibré (volume déterminé par les deux traits a et b de l'éprouvette). De plus, ce volume, la pression et la température du gaz à mesurer sont constants. Ce dispositif est aussi peu maniable (lourd et encombrant) et demande beaucoup de maintenance (nettoyage, ). Enfin, le gaz étant au contact de l'eau puisqu'il est injecté dans ou au-dessus d'elle (mais il se trouve obligatoirement au-dessus d'elle une fois totalement injecté) avant de purger l'éprouvette, celui-ci est saturé d'eau, ce qui, d'une part peut modifier légèrement sa masse densité, et d'autre part nécessite une étape de déshydratation avant de pouvoir l'exploiter.
L'invention a pour objet d'apporter une solution à certains au moins des inconvénients cités précédemment et propose en particulier un procédé et un dispositif associé pouvant être mis en oeuvre dans des conditions commercialement intéressantes, sans coûts de fabrication et/ou de maintenance exorbitants, tout en offrant également une souplesse d'utilisation, des performances (notamment de précision et de reproductibilité) et une fiabilité adaptées aux nécessités actuelles.
L'invention concerne donc un procédé pour déterminer la masse volumique d'un gaz comprenant les étapes suivantes:
a) on remplit et on met à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens d'alimentation sous pression, une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, jusqu'à ce que ledit gaz occupe tout le volume de l'enceinte et soit maintenu sensiblement à ladite pression initiale,
b) on laisse s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique, et on mesure, à l'aide de moyens de chronométrage, le temps mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à cette première pression mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, lesdites pressions étant mesurées à l'aide de moyens de mesure de pression,
c) on détermine par calcul la masse volumique dudit gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur et faisant intervenir ledit temps mesuré, la température du gaz mesurée à l'aide de moyens de mesure de température, et une constante stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
a) on remplit et on met à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens d'alimentation sous pression, une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable, avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, jusqu'à ce que ledit gaz occupe tout le volume de l'enceinte et soit maintenu sensiblement à ladite pression initiale,
b) on laisse s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique, et on mesure, à l'aide de moyens de chronométrage, le temps mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à cette première pression mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, lesdites pressions étant mesurées à l'aide de moyens de mesure de pression,
c) on détermine par calcul la masse volumique dudit gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur et faisant intervenir ledit temps mesuré, la température du gaz mesurée à l'aide de moyens de mesure de température, et une constante stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
Avantageusement, pour déterminer la masse volumique du gaz étudié, on travaillera dans les mêmes conditions de pression, et éventuellement de température, que celles utilisées pour déterminer la constante par étalonnage du calculateur. Ainsi, la précision sur la détermination de la masse volumique du gaz étudié sera meilleure car la constante k sera plus précise.
Selon une considération complémentaire, pour calculer la masse volumique du gaz étudié, on utilisera de préférence la formule suivante: P=k*T*(at)2
avec p, la masse volumique du gaz en kg/m3,
k, une constante définie lors de l'étalonnage,
T, la température du gaz, en "K, et
At, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression à la seconde pression.
avec p, la masse volumique du gaz en kg/m3,
k, une constante définie lors de l'étalonnage,
T, la température du gaz, en "K, et
At, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression à la seconde pression.
Cette formule simple fait donc intervenir une constante établie par étalonnage du calculateur et des grandeurs caractéristiques obtenues facilement à l'aide des moyens prévus à cet effet. La détermination de la masse volumique du gaz étudié peut donc facilement être automatisée pour permettre de connaître l'évolution de la composition de celui-ci dans le temps, ou pour déterminer successivement la masse volumique de différents gaz.
Selon une autre considération, la première pression sera de préférence inférieure ou égale à 4 bars, et de préférence sensiblement égale à 3 bars, et la seconde pression sera de préférence comprise entre environ 1,2 bars et 3 bars, et de préférence sensiblement égale à 2 bars.
Ce choix quant aux pressions de début et de fin de mesure du temps d'écoulement du gaz permet d'obtenir un temps d'écoulement suffisamment important (de l'ordre de la minute) pour déterminer la masse volumique du gaz étudié avec une bonne précision. De plus, ces conditions sont fixes et facilement reproductibles. Enfin, plus les pressions du gaz étudié sont faibles (tout en restant dans des valeurs permettant de faire fonctionner le dispositif, et en particulier d'obtenir un temps d'écoulement proche de la minute), plus le calcul de la masse volumique est précis car l'incertitude sur le facteur k est réduite. Enfin, ce choix de pressions est aussi dicté par des impératifs techniques liés au bon fonctionnement de la tuyère sonique et aux différents moyens de mesure choisis (capteur de pression notamment).
Selon une autre considération, on pourra chauffer de préférence l'enceinte avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température comprise entre environ 40 et 80"C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70"C, et ce à l'aide de moyens de chauffage.
De cette façon, la détermination de la masse volumique du gaz étudié est encore optimisée, car on réduit les incertitudes de calcul sans modifier la vitesse d'écoulement du gaz au col de la tuyère sonique.
L'invention concerne aussi un dispositif mettant en oeuvre le procédé décrit pour déterminer la densité d'un gaz comprenant:
- une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable,
- des moyens d'alimentation sous pression pour remplir ladite enceinte du gaz étudié à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, et pour le maintenir sensiblement à cette pression initiale avant qu'il ne s'échappe de celle-ci,
- des moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique pour laisser s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de ladite tuyère,
- des moyens de chronométrage pour mesurer le temps mis par le gaz pour sortir de l'enceinte en traversant la tuyère en passant, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à la première pression et supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale,
- des moyens de mesure de pression et de température régnant à l'intérieur de l'enceinte,
- un calculateur à mémoire pour déterminer par calcul la masse volumique du gaz à l'aide d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans sa mémoire et faisant intervenir ledit temps mesuré par les moyens de chronométrage, la température du gaz étudié mesurée à l'aide des moyens de mesure de température, et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
- une enceinte close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable,
- des moyens d'alimentation sous pression pour remplir ladite enceinte du gaz étudié à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique normale, et pour le maintenir sensiblement à cette pression initiale avant qu'il ne s'échappe de celle-ci,
- des moyens de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique pour laisser s'échapper de l'enceinte au moins une partie dudit gaz au travers de ladite tuyère,
- des moyens de chronométrage pour mesurer le temps mis par le gaz pour sortir de l'enceinte en traversant la tuyère en passant, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression inférieure ou égale à la pression initiale à une seconde pression inférieure à la première pression et supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale,
- des moyens de mesure de pression et de température régnant à l'intérieur de l'enceinte,
- un calculateur à mémoire pour déterminer par calcul la masse volumique du gaz à l'aide d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans sa mémoire et faisant intervenir ledit temps mesuré par les moyens de chronométrage, la température du gaz étudié mesurée à l'aide des moyens de mesure de température, et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur et établie par étalonnage dudit calculateur, et ce à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
Cette solution permet en particulier de s'affranchir de l'utilisation d'une colonne d'eau, ce qui rend le dispositif moins encombrant, plus simple d'utilisation et plus fiable. Les moyens de mesures utilisés sont simples, et permettent d'obtenir un résultat dont l'incertitude est inférieure à 1% d'erreur. Enfin, le dispositif disposant d'un étalon fixé à la construction, il est moins sensible aux erreurs de mesures et aux approximations, la référence étant toujours la même.
Selon une première considération, le dispositif comprendra en outre de préférence des moyens pour chauffer l'enceinte avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température comprise entre environ 40 et 80"C, et de préférence comprise entre environ 50 et 700C.
Cette solution permet encore de réduire les incertitudes sur le calcul de la masse volumique du gaz, et donc d'optimiser le fonctionnement du dispositif. De plus cette solution ne nécessite pas d'utiliser des moyens de chauffage très puissant compte tenu de la température à obtenir, laquelle ne doit pas être trop élevée pour éviter tout risque de combustion du gaz et d'explosion.
L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente un dispositif conforme à la présente invention, et
- la figure 2 est une vue de détail d'une tuyère sonique utilisée dans le dispositif de la figure 1.
- la figure 1 représente un dispositif conforme à la présente invention, et
- la figure 2 est une vue de détail d'une tuyère sonique utilisée dans le dispositif de la figure 1.
La figure 1 montre un dispositif 10 comprenant tout d'abord une enceinte 12 close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable (c'est-à-dire sans se gonfler sous ladite pression, ou se dégonfler sous une dépression), cette pression pouvant aller jusqu'à plusieurs bars (de préférence au moins 10 bars, voire plus si elle est munie d'une soupape de sécurité). Cette enceinte 12, qui peut par exemple être en acier ou en aluminium, est entourée par des moyens de chauffage 56, tels qu'une résistance électrique, un circuit d'eau chaude en spirale, un bain marie ou tout autre moyen équivalent alimenté par tout type de source (électrique, gaz, soleil, etc.), lesdits moyens de chauffage 56 étant de préférence isolés de l'extérieur, par exemple par de la laine de roche (non représentée). Cette enceinte 12 est connectée à des moyens 20 d'alimentation sous pression en gaz comprenant par exemp]e une bouteille 22 de gaz sous pression, une conduite 24 et une vanne d'alimentation 26, bien qu'il soit possible de relier directement l'enceinte 12 au réseau de gaz naturel, lequel fait alors office de moyen d'alimentation 20 (dans ce cas la vanne 26 est exclue desdits moyens). L'enceinte 12 est aussi connectée à des moyens 30 de purge de celle-ci comprenant par exemple une conduite 32 et une vanne de vidange 34. Entre la conduite 32 et l'enceinte 12 se trouve une tuyère sonique 40 de type connu et généralement utilisée pour le calcul du débit d'un gaz et pour servir de référence de débit. Sans entrer dans les détails, et comme on peut le voir sur la figure 2, cette tuyère prend la forme d'un convergent 42 en forme de pavillon (forme dite "torique") suivi d'un col 45 puis d'un divergent 48 à section conique. Sa forme, et en particulier la section de son col (de préférence parfaitement circulaire) est définie par les conditions de pression en amont (AM) et en aval (AV) de celle-ci. Ainsi, pour obtenir une vitesse sonique et une transformation isentropique (détente) au passage de ce col 45, le rapport entre la pression aval (la pression en sortie de la tuyère sonique, donc dans la conduite de vidange) et la pression amont (ici la pression dans l'enceinte) doit être de préférence inférieur ou égal à 0,80. De même, l'état de surface interne de la tuyère 40, et en particulier du col 45 (dont le diamètre peut être de l'ordre du dixième de millimètre), doit être parfait pour éviter d'avoir une couche limite trop "épaisse" qui dégraderait la précision de l'incertitude du dispositif.
Des moyens 52 de mesure de la température T du gaz à l'intérieur de l'enceinte de type connu (par exemple une sonde), et des moyens 54 de mesure de la pression P à l'intérieur de l'enceinte (de type pressostat ou transmetteur) sont aussi reliés à l'enceinte 12 et transmettent leurs informations à un calculateur 60 à mémoire, lequel fonctionne de préférence en mode d'acquisition automatique. Ce calculateur 60 recueille les conditions de fonctionnement du dispositif 10 (pression P et température T régnant à l'intérieur de l'enceinte), et comprend des moyens 70 de chronométrage, soit internes telle qu'une horloge électronique, soit externes et reliés à celui-ci, tels qu'un chronographe ou équivalent. Ce calculateur 60 stocke dans sa mémoire une constante k déterminée par étalonnage (voir la procédure ciaprès), une formule de réactualisation de ladite constante en fonction des conditions de pressions utilisées après étalonnage, et une formule générale enseignée par la théorie (en particulier en utilisant l'équation des tuyères soniques) faisant intervenir cette constante k (actualisée si besoin) et permettant de déterminer la masse volumique p du gaz étudié, laquelle formule est alors de la forme: p=k*T(Ât)2
avec p, la masse volumique du gaz en kg/m3,
k, une constante déterminée par étalonnage,
T, la température du gaz, en "K, et
At, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression P1 à la seconde pression P2.
avec p, la masse volumique du gaz en kg/m3,
k, une constante déterminée par étalonnage,
T, la température du gaz, en "K, et
At, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression P1 à la seconde pression P2.
Le fonctionnement de ce dispositif 10 est très simple et comprend tout d'abord une procédure d'étalonnage pour déterminer la constante k utilisée dans la formule de calcul de la masse volumique du gaz étudié.
Pour cela, l'enceinte 12 étant close, de volume déterminé et ne pouvant pas se déformer sous la pression, on y introduit, à l'aide des moyens 20 d'alimentation sous pression, un gaz de référence dont on connaît les caractéristiques physiques et chimiques, et en particulier la masse volumique notée préf, et ce à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale (typiquement 1013,25 millibars au niveau de la mer). Dans le cas d'une utilisation du dispositif pour déterminer la masse volumique du gaz naturel, il sera plus judicieux de choisir comme gaz de référence un gaz neutre tel que le méthane, ce gaz étant proche du gaz naturel. On ferme les moyens 20 d'alimentation de sorte que le gaz de référence soit maintenu sensiblement à la pression Pi. Eventuellement, on peut chauffer l'enceinte 12 avant que le gaz de référence ne s'échappe de l'enceinte et/ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température T comprise entre environ 40 et 80"C, par exemple à 60"C, à l'aide des moyens de chauffage 56. On ouvre les moyens 30 de purge (en particulier la vanne 64) et on mesure, à l'aide de moyens de chronométrage 70, le temps At mis par ce gaz de référence pour sortir de l'enceinte 12 en traversant la tuyère sonique 40 à la vitesse du son en passant, à l'intérieur de ladite enceinte 12, d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à ladite pression P1 mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale.
De préférence, afin d'obtenir des résultats optimisés, la pression initiale de remplissage sera d'environ 3 à 5 bars, et typiquement sensiblement égale à 3,5 bars, la première pression P1 sera de préférence inférieure ou égale à 4 bars, et typiquement sensiblement égale à 3 bars, et la seconde pression P2 sera de préférence comprise entre environ 1,2 et 3 bars, et typiquement sensiblement égale à 2 bars. De cette façon, le temps mesuré sera suffisamment long (environ 1 minute pour passer de 3 à 2 bars) pour permettre au calculateur de déterminer k avec précision. On stocke ce temps
At dans le calculateur 60, ainsi que la masse vo]umique préf dudit gaz de référence. A l'aide de la formule citée précédemment, on en déduit la constante k avec une précision de l'ordre de 2 pour mille (2%o). On peut réitérer la mesure plusieurs fois dans les mêmes conditions pour obtenir une valeur moyenne et un écart type permettant de déterminer l'incertitude sur la mesure de k. On peut aussi faire d'autres mesures de temps avec d'autres conditions de température (T) pour obtenir une constante k sensiblement identique, l'influence de la température étant extrêmement faible et ne jouant que sur la précision de son calcul. Par contre, si les conditions de pression P2 et P1 diffèrent, le temps mis par le gaz pour passer dans l'enceinte de P1 à P2 sera légèrement différent. En réalité, même si cette constante k varie peu en fonction de la pression, on obtiendra une constante k légèrement différente pour chaque type de conditions de pression (P1 et P2) utilisées pour réaliser l'étalonnage. Par conséquent, afin de prévoir les cas où la procédure d'étalonnage et la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié ne se font pas aux mêmes conditions de pression, il pourra être utile de réactualiser la constante k (ceci pourra être fait automatiquement par le calculateur) comme on va le voir dans la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié qui va maintenant être décrite.
At dans le calculateur 60, ainsi que la masse vo]umique préf dudit gaz de référence. A l'aide de la formule citée précédemment, on en déduit la constante k avec une précision de l'ordre de 2 pour mille (2%o). On peut réitérer la mesure plusieurs fois dans les mêmes conditions pour obtenir une valeur moyenne et un écart type permettant de déterminer l'incertitude sur la mesure de k. On peut aussi faire d'autres mesures de temps avec d'autres conditions de température (T) pour obtenir une constante k sensiblement identique, l'influence de la température étant extrêmement faible et ne jouant que sur la précision de son calcul. Par contre, si les conditions de pression P2 et P1 diffèrent, le temps mis par le gaz pour passer dans l'enceinte de P1 à P2 sera légèrement différent. En réalité, même si cette constante k varie peu en fonction de la pression, on obtiendra une constante k légèrement différente pour chaque type de conditions de pression (P1 et P2) utilisées pour réaliser l'étalonnage. Par conséquent, afin de prévoir les cas où la procédure d'étalonnage et la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié ne se font pas aux mêmes conditions de pression, il pourra être utile de réactualiser la constante k (ceci pourra être fait automatiquement par le calculateur) comme on va le voir dans la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié qui va maintenant être décrite.
Tout d'abord, on considère que le dispositif 10 a été étalonné de la façon décrite précédemment et que l'on dispose d'une constante k. L'enceinte 12 étant complètement purgée, on introduit dans celle-ci, à l'aide des moyens 20 d'alimentation sous pression, un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, notée p. En particulier, on ouvre la vanne d'alimentation 26 de sorte que le gaz stocké dans la bouteille 22 vienne remplir totalement l'enceinte 12 à une pression Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, et de préférence identique à celle utilisée pour étalonner le calculateur 60 (c'est-à-dire 3,5 bars). On ferme alors la vanne 26 d'alimentation. Si l'enceinte a été chauffée pendant la procédure d'étalonnage, il est conseillé (mais ce n'est pas obligatoire) d'en faire de même lors de la détermination de la masse volumique du gaz étudié, c'est-àdire dans notre cas de chauffer l'enceinte à environ 60"C. On ouvre alors la vanne de purge 34 et on laisse le gaz étudié s'échapper de l'enceinte 12 au travers de la tuyère sonique 40 à la vitesse du son (au passage de son col 45) où il subit une transformation isentropique. On mesure alors, à l'aide des moyens de chronométrage 70, le temps At mis par ce gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte 12, d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à ladite pression P1 mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale.
Avantageusement, on choisira de mesurer le temps mis par le gaz étudié pour passer à l'intérieur de l'enceinte 12, de la même pression P1 que celle utilisée dans la procédure d'étalonnage, à la même pression P2 que celle utilisée dans la procédure d'étalonnage, c'est-à-dire de 3 à 2 bars, et ce afin d'obtenir une mesure plus précise de la masse volumique du gaz étudié.
Même si les conditions de pressions sont différentes entre l'étalonnage et la procédure de détermination de la masse volumique du gaz étudié, la constante k établie par étalonnage pourra quand même être utilisée sans être actualisée, mais la précision sur la détermination de la masse volumique du gaz étudié sera moins bonne que si l'on travaille toujours aux mêmes pressions.
Ainsi, il pourra être utile, dans le cas où ces conditions de pressions P1 et P2 sont différentes (tout en restant compatibles avec le fonctionnement du dispositif), de "réactualiser la constante k utilisée dans la formule générale à l'aide du calculateur et d'une autre formule expérimentale stockée dans sa mémoire, laquelle formule faisant intervenir le facteur k calculé par étalonnage ainsi que les conditions de pression d'étalonnage et les conditions de pression de détermination de la masse volumique du gaz étudié. De cette façon, la constante k réactualisée sera plus précise, et correspondra réellement aux conditions de pression utilisées. Le choix d'actualiser ou non la constante dépendra de la précision de calcul voulue et des conditions expérimentales de pression disponibles pour utiliser le dispositif, en particulier si celui-ci est vendu déjà étalonné dans de conditions fixées que l'utilisateur ne peut pas reproduire.
De préférence, les moyens 70 de chronométrage sont intégrés au calculateur 60 de façon à se déclencher automatiquement lorsque les informations provenant des moyens 54 de mesure de pression informent ledit calculateur 60 que la pression du gaz dans l'enceinte 12 est à P1 (mise en marche), puis passe à P2 (arrêt).
Connaissant la température T du gaz, le temps At mesuré pour passer de la pression P1 à la pression P2, et la constante k (réactualisée si besoin), le calculateur 60 peut alors déterminer, par calcul, la masse volumique p du gaz étudié à l'aide de la formule déjà citée (p = k * T * (At)2), et ce avec une précision (incertitude) proche de 1%, voire même inférieure (proche de 0,5%).
n est évident que le dispositif ainsi décrit peut aussi fonctionner en tant que densimètre. En effet, dès lors que la masse volumique du gaz étudié est connue, il suffit de rapporter cette valeur à la masse volumique de l'air dans le cas où l'on aura utilisé l'air pour l'étalonnage du calculateur et la détermination de k.
Ainsi, ce dispositif et son procédé associé sont très fiables, simples à utiliser, avec une procédure d'étalonnage simple et courte, et permettent de déterminer ou vérifier rapidement la masse volumique d'un gaz étudié, ou sa variation dans le temps.
Claims (7)
1. Procédé pour déterminer la masse volumique normale d'un gaz comprenant les étapes suivantes:
a) on remplit et on met à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, à l'aide de moyens (20) d'alimentation sous pression, une enceinte (12) close de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable avec un gaz dont on veut déterminer ou vérifier la masse volumique, jusqu'à ce que ledit gaz occupe tout le volume de l'enceinte (12) et soit maintenu sensiblement à ladite pression initiale Pi,
b) on laisse s'échapper de l'enceinte (12) au moins une partie dudit gaz au travers de moyens de purge (30) communiquant avec l'enceinte (12) et munis d'une tuyère sonique (40), et on mesure, à l'aide de moyens (52) de chronométrage, le temps At mis par le gaz pour passer, à l'intérieur de l'enceinte, d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à cette première pression P1 mais supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale, lesdites pressions étant mesurées à l'aide de moyens (54) de mesure de pression,
c) on détermine par calcul la masse volumique p dudit gaz étudié par l'intermédiaire d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans la mémoire d'un calculateur (60) et faisant intervenir ledit temps At mesuré, la température T du gaz mesurée à l'aide de moyens de mesure de température (52), et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur (60) et établie par étalonnage dudit calculateur (60) à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour déterminer la masse volumique p du gaz étudié, on travaille dans les mêmes conditions de pressions P1 et P2, et éventuellement de température T que celles utilisées pour déterminer la constante k par étalonnage du calculateur.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour calculer la masse volumique p du gaz étudié, on utilise la formule suivante:
p = k * T * (At)2
avec p, la masse volumique du gaz en kg/m3,
k, une constante établie par étalonnage,
T, la température du gaz, en "K, et
At, le temps mesuré en secondes entre l'instant où le gaz étudié passe dans l'enceinte de la première pression à la seconde pression.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première pression P1 est inférieure ou égale à 4 bars, et de préférence sensiblement égale à 3 bars, et la seconde pression P2 est comprise entre environ 1,2 bars et 3 bars, et de préférence sensiblement égale à 2 bars.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on chauffe l'enceinte (12) avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température T comprise entre environ 40 et 80"C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70"C, et ce à l'aide de moyens de chauffage (56).
6. Dispositif (10) pour déterminer la masse volumique p d'un gaz comprenant:
- une enceinte close (12) de volume déterminé pouvant résister à la pression sans déformation notable,
- des moyens (20) d'alimentation sous pression pour remplir ladite enceinte (12) du gaz étudié à une pression initiale Pi supérieure à la pression atmosphérique normale, et pour le maintenir sensiblement à cette pression avant qu'il ne s'échappe de celle-ci,
- des moyens (30) de purge communiquant avec l'enceinte et munis d'une tuyère sonique (40) pour laisser s'échapper de l'enceinte (12) au moins une partie dudit gaz au travers de ladite tuyère (40),
- des moyens (70) de chronométrage pour mesurer le temps At mis par le gaz pour sortir de l'enceinte en traversant la tuyère sonique (40) en passant, à l'intérieur de l'enceinte (12), d'une première pression P1 inférieure ou égale à la pression initiale Pi à une seconde pression P2 inférieure à la première pression P1 et supérieure ou égale à la pression atmosphérique normale,
- des moyens (52) et (54) de mesure de pression P et de température T régnant à l'intérieur de l'enceinte (12),
- un calculateur (60) à mémoire pour déterminer par calcul la masse volumique p du gaz à l'aide d'une formule générale enseignée par la théorie stockée dans sa mémoire et faisant intervenir ledit temps At mesuré par les moyens (70) de chronométrage, la température T du gaz étudié mesurée à l'aide des moyens (52) de mesure de température, et une constante k stockée dans la mémoire du calculateur (60) et établie par étalonnage dudit calculateur (60) à l'aide d'un gaz de référence dont on connaît la masse volumique.
7. Dispositif (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (56) pour chauffer l'enceinte (12) avant que le gaz ne s'échappe de celle-ci et/ou pendant au moins une partie du temps pendant lequel il s'échappe, à une température T comprise entre environ 40 et 800C, et de préférence comprise entre environ 50 et 70"C.
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