FR3087870A3 - Recipient de gaz equipe d'un robinet a pression residuelle et d'un dispositif de determination de l'autonomie en gaz - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un ensemble de distribution de gaz comprenant un récipient de gaz, telle une bouteille de gaz, muni d'un robinet à pression résiduelle équipé d'un dispositif de détermination de l'autonomie, dans lequel ledit dispositif de détermination de l'autonomie comprend des moyens de mesure de pression fournissant des signaux de pression ; des moyens de mesure de température ambiante fournissant au moins un signal de température ambiante ; des moyens d'alimentation électrique ; des moyens de mémorisation ; et des moyens de traitement électroniques comprenant un microprocesseur mettant en œuvre au moins un algorithme, et étant configurés pour filtrer les signaux de pression provenant des moyens de mesure de pression ; estimer la température du gaz à partir des variations de pression du gaz et de la température ambiante provenant des moyens de mesure de température ambiante, et calculer une autonomie en gaz à partir des mesures de pression et de température ambiante obtenues.

Description

La présente invention concerne une méthode de détermination du temps restant d'utilisation d'une bouteille de gaz dans des domaines divers, tels que le domaine médical (e.g. oxygène utilisé pour des patient), le domaine industriel (e.g. gaz de soudage) ou tout autre domaine où une bouteille de gaz est utilisée pour une action limitée dans le temps, et où le temps restant d'utilisation est une information importante pour l'utilisateur.

Il existe aujourd'hui une grande diversité de bouteilles de gaz - bouteilles métalliques, composites, ...

Quel que soit le type de la bouteille de gaz considérée, le poids de la bouteille est très grand devant le poids du gaz contenu.

Il n'existe donc aujourd'hui pas d'autres méthodes fiables pour connaître la quantité de gaz restante dans une bouteille que de se référer à la pression résiduelle Pour cette raison, les bouteilles de gaz sont actuellement équipées de dispositifs de mesure, tel les manomètres qui fournissent à l'utilisateur le niveau de pression résiduelle dans le réservoir.

Il peut s'agir de manomètres à tube de bourdon, de manomètres digitaux ou d'autres dispositifs mesurant une grandeur corrélée à la pression interne.

Cette information est cependant assez limitée car, dans de nombreux cas, l'utilisateur a besoin de connaître le temps restant d'utilisation du réservoir qui est appelé « autonomie », notamment pour les utilisateurs non habitués à travailler avec du gaz sous pression.

Ce temps restant d'utilisation (i.e. autonomie) dépend à la fois de la quantité restante de gaz et des modes d'utilisation, en particulier le débit auquel le gaz est utilisé.

S'il est facile de déterminer une autonomie lorsque la pression et le débit sont connus et que le débit est fixe, il est beaucoup plus compliqué de la déterminer à partir d'une pression seulement, surtout quand les usages impliquent des changements de débits non prévisibles.

De plus, la mesure de pression peut être faussée pour plusieurs raisons, tel que variation de température, perte de charge en amont du dispositif de mesure, ...

Enfin, pour que l'information d'autonomie soit utile à l'utilisateur, il faut que cette information soit disponible rapidement, i.e. en quelques minutes.

Pour permettre de transformer de façon fiable le niveau de pression dans la bouteille en temps restant d'utilisation (i.e. autonomie), des solutions ont été développées se basant principalement sur la variation de la pression en fonction du temps.

Ainsi, la pression est mesurée à deux instants, à savoir Pt à un temps t et 1),_1 à un temps t - dt (dt est une durée à determiner de façon adaptée pour l'usage fmal), puis l'autonomie en est déduite.

La pente de pression est utilisée pour approximer le débit de gaz Or, cette approximation présente deux limites qui ne sont aujourd'hui pas résolues, à savoir une erreur liée à l'impact du robinet à pression résiduelle (i.e.

RPR) et une erreur liée à l'impact de la température sur la pression mesurée.

Les erreurs ainsi commises sur l'estimation du débit de gaz ont un fort impact sur la validité de l'autonomie qui en est déduite.

Les bouteilles sont dans la grande majorité des cas équipée d'un RPR (ou Residual Pressure Valve / RVP en anglais).

Ce dispositif permet de garantir une pression minimale dans la bouteille, évitant ainsi toute contamination extérieure du gaz dans la bouteille.

Or, le capteur de pression est toujours placé en aval de ce dispositif , c'est-à-dire entre le RPR et la section de sortie, et le RPR induit alors une perte de charge qui implique que le capteur de pression ne mesure pas la pression de gaz dans la bouteille mais une pression inférieure ou égale à cette pression de gaz.

Le RPR peut être assimilé à une vanne de coefficient kv.

La perte de charge entre la pression du gaz dans la bouteille et la pression mesurée par le capteur de pression dépend du débit traversant le RPR : plus ce débit est important, plus la perte de charge est importante.

Lorsque le débit est nul, le capteur de pression mesure effectivement la pression résiduelle de gaz dans la bouteille.

Dans la majorité des cas, le débit de gaz pendant une utilisation n'est pas constant mais variable, par exemple pendant des cycles respiratoires de quelques secondes, le débit étant nul en dehors des phases d'inspiration.

De même pendant des cycles de soudages où le soudeur utilise le gaz de façon discontinue.

Ainsi, pour un usage où le débit varie, le capteur de pression mesure une variation de pression telle que représentée sur la Figure 1 qui illustre une utilisation variable (courbe du bas sur la Fig. 1) de gaz pendant quelques minutes à débit variable entre 0 et 5 sL/min.

S'il est aisé de déterminer un débit instantané ou un débit moyen à partir de la variation de pression résiduelle dans la bouteille (courbe du haut sur la Fig. 1), il est plus difficile de le faire à partir de la variation de pression après le RPR (courbe du milieu sur la Fig. 1).

Pour ce faire, une solution est d'estimer le débit sur une durée très longue.

La pression est mesurée avant et après utilisation lorsque la pression est stable.

On en déduit un débit moyen et donc l'autonomie.

L'inconvénient ici est que l'utilisateur n'a accès à l'information 2 d'autonomie qu'à la fin de l'utilisation, alors qu'il en a souvent besoin pendant qu'il utilise le gaz, par exemple pendant un traitement médical ou durant une opération de soudage.

Une solution alternative est de mesurer la pression plusieurs fois et de calculer la moyenne.

Les sauts de pressions dus au changement de débit sont donc lissés et une pente de pression instantanée peut alors être calculée.

L'inconvénient est que cela fonctionne uniquement si la période de temps sur laquelle le signal de pression est moyennée est suffisamment longue.

Dans le cas où le débit varie avec des périodes aléatoires, cela requiert de moyenner sur de longue période, ce qui consomme trop de batterie et est incompatible avec une utilisation industrielle ou dans le domaine médical car nécessiterait des remplacements de batterie trop fréquents, fastidieux et couteux.

En outre, la température impacte la détermination de l'autonomie.

Lors de la vidange d'une bouteille, l'expansion du gaz se traduit par une diminution de sa température.

Cette baisse de température est d'autant plus importante que le débit est important et la bouteille de petite taille/faible capacité.

Cette baisse de température dépend aussi du gaz considéré, et peut dès lors être particulièrement importante pour certains gaz, par exemple plus de 10°C pour un gaz contenant 20% de CO, à un débit de 25 L/min.

Ainsi, lors d'une vidange, la pression résiduelle diminue pour deux raisons, à avoir du fait de la baisse de la quantité de matière résiduelle et de la baisse de température du gaz Ces deux effets peuvent être à peu près du même ordre de grandeur en début de vidange.

Au bout d'un certain temps, la température du gaz se stabilise et la variation de pression résiduelle est représentative du débit de gaz.

Par conséquent, si le débit de gaz est estimé directement à partir de variation de pression résiduelle, la consommation de gaz va être fortement surestimée et donc l'autonomie sous-estimée.

De plus, lorsque la température ambiante varie, la pression varie même si le débit de gaz est nul.

Cela se traduit par une variation de l'autonomie affichée, ce qui est incorrect.

Deux solutions ont été proposées, à savoir : - mesurer la température du gaz afin de compenser cette baisse de température dans les calculs.

Cette solution est cependant très difficilement implémentable car elle nécessite de placer un capteur de température dans le gaz sous pression, qui doit par ailleurs être relié à l'électronique à l'extérieur de la bouteille à pression atmosphérique. 3 - mesurer la température ambiante.

La température ambiante n'est cependant souvent pas représentative de la température de gaz, ce qui peut aboutir à des erreurs importantes sur la prédiction de l'autonomie de la bouteille.

Au vu de cela, le problème est de pouvoir estimer correctement la consommation instantanée d'une bouteille de gaz tout en respectant des contraintes d'économie de la consommation électrique du système de mesure, de robustesse industrielle (i.e. éviter d'instrumenter l'intérieur de la bouteille qui est sous pression), et de réactivité (i.e. l'estimation doit pouvoir être faite de façon quasi instantanée pour actualiser l'autonomie de la bouteille en fonction de l'usage).

La présente invention propose de calculer l'autonomie d'un récipient de gaz mettant en oeuvre un dispositif de mesure réalisant une mesure de la pression et de la température ambiante afin de répondre aux différentes contraintes susmentionnées.

La solution repose alors sur un ensemble de distribution de gaz comprenant un récipient de gaz muni d'un robinet à pression résiduelle (RPR) équipé d'un dispositif de détermination de l'autonomie, ledit dispositif de détermination de l'autonomie comprenant : - des moyens de mesure de pression fournissant des signaux de pression, - des moyens de mesure de température ambiante fournissant au moins un signal de température ambiante, - des moyens de mémorisation, telle une mémoire flash, - des moyens d'alimentation électrique, et - des moyens de traitement électroniques comprenant un microprocesseur, de préférence un microcontrôleur, mettant en oeuvre au moins un algorithme, et étant configurés pour : a) filtrer les signaux de pression provenant des moyens de mesure de pression, b) estimer la température du gaz à partir des variations de pression du gaz et de la température ambiante provenant des moyens de mesure de température ambiante, et c) calculer une autonomie en gaz à partir des mesures de pression et de la température ambiante obtenus aux étapes a) et b).

Selon le cas, l'ensemble de distribution de gaz de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - le récipient de gaz est une bouteille de gaz 4 - il comprend en outre des moyens d'affichage pour afficher au moins une valeur d'autonomie déterminée, en particulier l'écran d'un afficheur. - les moyens de mesure de pression comprennent un capteur de pression ou tout autre moyen permettant d'estimer la pression du gaz dans le récipient - les moyens de mesure de température ambiante comprennent un capteur de température. - les moyens de traitement électroniques sont reliés électriquement aux moyens de mesure de pression, aux moyens de mesure de température ambiante et aux moyens de mémorisation. - les moyens de traitement électroniques sont alimentés électriquement par les moyens d'alimentation électrique. - les moyens de mémorisation comprennent une mémoire flash (i.e. rapide). - les moyens de traitement électroniques comprennent une carte électronique portant le microcontrôleur et/ou la mémoire flash. - les moyens d'alimentation électrique comprennent une ou plusieurs batteries électriques, par exemple une (ou des) pile. - les moyens de traitement électroniques, les moyens de mémorisation et les moyens d'alimentation électrique sont agencés dans un boitier rigide les protégeant, par exemple en plastique ou analogue. - il comprend un afficheur, tel un écran ou analogue.

La valeur d'autonomie obtenue est affichée sur l'afficheur, tel un écran ou analogue.

Elle peut être aussi éventuellement transmise à distance, par liaison sans fil ou filaire, via des moyens de communication adaptés, tel que modem, antenne ou autres.

D'une façon générale, l'invention repose sur un dispositif de détermination de l'autonomie d'un récipient de gaz comprenant des moyens de mesure de la pression et des moyens de mesure de la température ambiante, ainsi que des capacités de mémorisation et des capacités de calcul, à savoir des moyens de traitement comprenant un microprocesseur mettant en oeuvre au moins un algorithme.

L'algorithme embarqué réalise (au moins) deux fonctions principales servant à calculer l'autonomie en gaz, à savoir : a) filtrer le signal de pression afin de s'affranchir de l'effet du RPR, et b) estimer la température du gaz à partir de la mesure de la variation de pression du gaz et de la température ambiante.

L'étape a) permet de ne pas prendre en compte l'impact du RPR.

Pour cela, on considère la perte de pression typique induite par un RPR.

Les variations de pression supérieures à cette valeur sont filtrées de sorte que l'algorithme reconnaît si la variation de pression mesurée correspond à une réelle baisse de pression due à une diminution de la quantité de gaz ou à une perte de pression induite par le RPR.

L'étape b) repose sur un bilan d'enthalpie.

A partir de la mesure de la pression du gaz et de la température ambiante, il est possible d'estimer la variation d'enthalpie du gaz Le transfert de chaleur à travers la paroi de la bouteille est pris en compte par un modèle CID, en utilisant des caractéristiques de la bouteille telles que la capacité thermique et conductivité thermique du matériau constituant la paroi de la bouteille, son épaisseur de paroi, son volume, ...

Bien que basé sur un modèle physique complexe, ce modèle est particulièrement simplifié dans le cas d'une bouteille de gaz afin de pouvoir être intégré dans un algorithme embarqué.

Ces deux étapes permettent d'estimer de façon plus fiable le débit de gaz à partir de la variation de la pression et ce, même en présence d'un RPR et en mesurant uniquement la pression du gaz et la température ambiante.

L'algorithme permet ensuite de calculer l'autonomie en gaz du récipient de gaz à partir des mesures de pression et de température ambiante traitées par les moyens de traitement électroniques, typiquement le microcontrôleur à algorithme(s).

Plus précisément, l'invention repose sur un système intégré pour bouteille de gaz ou autre récipient comportant au moins les éléments suivants: - un RPR (i.e.

RPV en anglais) ou tout autre système équivalent permettant de maintenir une pression minimale dans la bouteille, - un capteur de pression permettant de mesurer la pression du gaz en amont de la détente (i.e. du côté de la haute pression) potentiellement placé après le RPR, - un capteur de température permettant la mesure de la température ambiante.

Ce capteur peut être placé à n'importe quel endroit sur la bouteille, dans la tête de bouteille ou sur le système électronique, et - un système électronique permettant l'acquisition et le traitement des signaux provenant du capteur de pression et du capteur de température.

Ce demier doit comprendre notamment un microcontrôleur ou analogue pour le traitement des données et le calcul tel que décrit ci-dessous, une mémoire flash pour la sauvegarde des données et une batterie pour 6 l'alimentation électrique de l'électronique ou des autres composants nécessitant de l'énergie électrique pour fonctionner.

Avantageusement, le microcontrôleur du système électronique doit pouvoir traiter les données à l'aide d'une ou des deux fonctions suivantes.

Fonction 1 La pression du gaz est mesurée de façon périodique : N points de pression sont acquis pendant une fenêtre d'acquisition de durée t_acq, à une périodicité At, comme représenté sur la Figure 2 qui représente les échelles de temps pour la mesure de la pression.

Dit autrement, à un intervalle régulier, c'est-à-dire tous les At, le capteur de pression fait des mesures sur une fenêtre d'acquisition : acquisition de N points de pression pendant la durée t_acq N valeurs de pression P1, P2, ...

Avant de calculer la moyenne sur le groupe de N valeurs de pression P,, P2, ... certains points sont retirés du groupe sur le critère suivant.

Tous les points sont comparés au plus petit point de pression de l'ensemble de données, appelé Pmin.

Si l'écart entre Pi et Pmin est supérieur à la perte charge typique créée par le RPV, i.e. si Pi - Pmin > APRPR, alors le point P, est supprimé du groupe.

APRPR un seuil fixé, légèrement inférieur aux pertes de charges classiques induites par le RPR.

En d'autre termes, on ne garde que les points de pression correspondant à une mesure de pression dynamique.

Les points de pression statique ne sont pas pris en compte pour le calcul d'une pression moyenne.

Une pression moyenne Pt est calculée à partir des points de pression restants de l'ensemble de données.

A partir de la dernière valeur de pression sauvegardée (P,, à l'instant t- nAt, avec n un nombre entier k 1), de la valeur dc pression à l'instant t (P1 à l'instant t) et de la valeur de la température ambiante à l'instant t Te'' la fonction 2 suivante est appelée.

Fonction 2 Les valeurs utilisées sont les suivantes : - surface interne de la bouteille S1 2 D = ED2 + avec Di le diamètre interne et V le 4-V rn volume de la bouteille, - surface externe dc la bouteille Se = 1E12 ± nDe(a, + 2e',) avec De le diamètre 2 e xn, externe et ew l'épaisseur de la paroi de la bouteille, 7 - Variable D - -1- avec m,, Cpg, la capacité thermique de la paroi (en J/K), - Variable E = Se ken avec k le coefficient d'échange conducto-convectif externe en W/KJm2, Le modèle utilise en outre 3 variables tabulées en fonctions de la pression et la température du gaz: pC, Capacité thermique volumique du gaz J/K/m3 Variable calculée pT Produit du coefficient d'expansion thermique et de la température (en Kelvin) Sans unité Variable calculée 4 Groupe pour coefficient de transfert de chaleur interne W/m2/K2 Variable calculée Au premier pas de temps, la température du gaz Tg et la température de la paroi TH, sont initialisées à la valeur de la température ambiante.

Puis tous les At, on opère ce qui suit : - Calcul de AP AP = P1- P t-i - Lecture dans les tables a = p cp (Tg P1_1) b= p T (T P ) g(-i, Pt-1) = (Tg (-15 Pi-1) - Actualisation de la valeur de F 0.33 F=0.1 S' 41T g - Tg ' - Calcul de c c = (Tg,1_1- Tg ,_1) F IV - Calcul de la température de gaz Tg, = Tg t-1 AP bla + nAt cla - Calcul de la température de paroi T. t Tg, +D (E (T g,' - 1_1) - cV ) nAt1_1 8 Enfin, la pression est compensée en température avec la température de gaz ainsi calculée et la pente de pression en est déduite.

Trois cas peuvent se présenter pour le calcul de la pente de pression : - Si la pente de pression est positive (cas typique en fin d'utilisation), alors cette pente n'est pas prise en compte, l'autonomie n'est pas calculée et le point n'est pas sauvegardé, i.e. aucune des données de pression et de température mesurées et/ou calculées au cours de ce pas de temps ne sont sauvegardées.

Implémentation de n : n = n+1 - Si la pente de pression est négative avec une valeur absolue en dessous d'un certain seuil donné (cas typique à l'instant où le débit passe d'une valeur nulle à une valeur non nulle), alors cette pente n'est pas prise en compte, l'autonomie est calculée avec la dernière valeur de pente fiable et le point est sauvegardé, i.e. toutes les données de pression et de température mesurées et/ou calculées au cours de ce pas de temps sont sauvegardées.

Réinitialisation de n : n = 1 - Si la pente ni positive, ni négative avec une valeur absolue en dessous d'un certain seuil, alors cette pente est considérée comme fiable, l'autonomie est calculée et le point est sauvegardé, i.e. toutes les données de pression et de température mesurées et/ou calculées au cours de ce pas de temps sont sauvegardées Réinitialisation de n : n = 1 Enfin, si la pression est stable pendant une durée suffisamment longue (typiquement supérieure à l'inertie thermique de la bouteille), toutes les données sont réactualisées et plus particulièrement la température de gaz et la température de la paroi sont réinitialisés à la température ambiante.

Une fois calculée, l'autonomie peut être affiché sur un afficheur numérique par exemple pour assister l'utilisateur utilisant la bouteille de gaz en lui donnant une évaluation de la durée d'utilisation possible du gaz restant (i.e. l'autonomie).

De façon générale, l'invention concerne aussi un procédé de détermination de l'autonomie en gaz d'un récipient de gaz, telle une bouteille de gaz, équipé d'un RPR, dans lequel on utilise un dispositif de détermination de l'autonomie pour déterminer cette autonomie à partir de mesures de pression et de température ambiante.

L'invention est particulièrement adaptée à une utilisation sur une bouteille de gaz médical ou industriel afin de déterminer l'autonomie

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble de distribution de gaz comprenant un récipient de gaz muni d'un robinet à pression résiduelle équipé d'un dispositif de détermination de l'autonomie, dans lequel ledit dispositif de détermination de l'autonomie comprend : - des moyens de mesure de pression fournissant des signaux de pression, - des moyens de mesure de température ambiante fournissant au moins un signal de température ambiante, - des moyens d'alimentation électrique, - des moyens de mémorisation, et - des moyens de traitement électroniques comprenant un microprocesseur mettant en oeuvre au moins un algorithme, et étant configurés pour : a) filtrer les signaux de pression provenant des moyens de mesure de pression, b) estimer la température du gaz à partir des variations de pression du gaz et de la température ambiante provenant des moyens de mesure de température ambiante, et c) calculer une autonomie en gaz à partir des mesures de pression et de température ambiante obtenues aux étapes a) et b).
2. 2. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient de gaz est une bouteille de gaz
3. 3. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'affichage pour afficher au moins une valeur d'autonomie déterminée, en particulier l'écran d'un afficheur.
4. 4. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de pression comprennent un capteur de pression.
5. 5. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure de température ambiante comprennent un capteur de température. 10
6. 6. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement électroniques sont reliés électriquement aux moyens de mesure de pression, aux moyens de mesure de température ambiante et aux moyens de mémorisation.
7. 7. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de traitement électroniques sont alimentés électriquement par les moyens d'alimentation électrique.
8. 8. Ensemble de distribution de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation électrique comprennent une ou plusieurs batteries électriques. 11