FR3114153A1 - device and method for identifying gaseous contamination - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de détection et d’identification d’une contamination d’un milieu gazeux par un gaz contaminant. Le dispositif de détection et d’identification (1) comprenant au moins un émetteur d’ultrasons (10), au moins un récepteur à ultrasons (20) et une unité de traitement (30). L’unité de traitement (30) apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement un premier et un deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons (20) pour une première et une deuxième onde ultrasonore à une première et à une deuxième fréquence respective. L’unité de traitement est configurée pour identifier à partir des première et deuxième valeurs d’atténuation au moins un gaz contaminant Figure pour l’abrégé : figure 1The invention relates to a device for detecting and identifying contamination of a gaseous medium by a contaminant gas. The detection and identification device (1) comprising at least one ultrasound transmitter (10), at least one ultrasound receiver (20) and a processing unit (30). The processing unit (30) able to determine a first and a second attenuation value from respectively a first and a second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver (20) for a first and a second ultrasonic wave at a first and at a respective second frequency. The processing unit is configured to identify from the first and second attenuation values at least one contaminant gas Figure for the abstract: Figure 1
Description
L’invention concerne le domaine détection d’une contamination gazeuse dans un milieu gazeux, tel que l’atmosphère d’un espace confiné d’un lieu de stockage de produits chimiques et/ou radioactifs ou un réservoir à combustibles.The invention relates to the field of detection of gaseous contamination in a gaseous medium, such as the atmosphere of a confined space of a place for storing chemical and/or radioactive products or a fuel tank.
L’invention a ainsi plus particulièrement pour objet un dispositif et un procédé d’identification d’une contamination gazeuseThe invention thus more particularly relates to a device and a method for identifying gaseous contamination
État de l’art antérieurState of the prior art
Comme l’ont démontré les inventeurs dans leurs travaux présentés par L. Iglesiaset. aldans le cadre de la conférence« 16 th International Workshop on Nanomechanical Sensors »qui a eu lieu entre le 19 et le 21 juin 2019 à Lausanne en Suisse, il est possible d’utiliser les ultrasons pour surveiller la composition d’un milieu gazeux. En effet, la composition du milieu gazeux influençant directement la vitesse de propagation des ondes ultrasonores de ce dernier, il est possible d’obtenir une information sur la composition du milieu gazeux à partir de mesures de temps de vol des ondes ultrasonores.As demonstrated by the inventors in their work presented by L. Iglesias et. al as part of the conference "16 th International Workshop on Nanomechanical Sensors " which took place between June 19 and 21, 2019 in Lausanne, Switzerland, it is possible to use ultrasound to monitor the composition of a gaseous medium . Indeed, the composition of the gaseous medium directly influencing the speed of propagation of the ultrasonic waves of the latter, it is possible to obtain information on the composition of the gaseous medium from measurements of the time of flight of the ultrasonic waves.
Ainsi, les inventeurs ont pu démontrer qu’avec de telles mesures de temps de vol, il est possible, lorsque le milieu gazeux présente une composition binaire dont les composants sont connus, de déterminer la proportion respective des composants du milieu gazeux. Il serait donc envisageable, pour une composition relativement simple d’un milieu gazeux à surveiller, d’utiliser de telles mesures pour détecter une contamination du milieu gazeux.Thus, the inventors have been able to demonstrate that with such time-of-flight measurements, it is possible, when the gaseous medium has a binary composition whose components are known, to determine the respective proportion of the components of the gaseous medium. It would therefore be possible, for a relatively simple composition of a gaseous medium to be monitored, to use such measurements to detect contamination of the gaseous medium.
Néanmoins, dans le cadre de la surveillance d’un milieu gazeux, telle que l’atmosphère d’un espace confiné d’un lieu de stockage de produits chimiques et/ou radioactifs ou un réservoir à combustibles, la composition gazeuse peut être relativement complexe. De ce fait, l’utilisation des ultrasons telle que l’ont proposée les inventeurs dans leurs travaux présentés à Lausanne en 2019 ne semble pas adaptée en raison de cette complexité pour identifier une éventuelle contamination (avec cette méthode proposée par les inventeurs, il est difficile de décorréler la nature du gaz contaminant et sa quantité).Nevertheless, in the context of the monitoring of a gaseous medium, such as the atmosphere of a confined space of a storage place for chemical and/or radioactive products or a fuel tank, the gaseous composition can be relatively complex. . Therefore, the use of ultrasound as proposed by the inventors in their work presented in Lausanne in 2019 does not seem appropriate due to this complexity to identify possible contamination (with this method proposed by the inventors, it is difficult to decorrelate the nature of the contaminant gas and its quantity).
Il est également connu des travaux de A. Petculescu et de ses coauteurs qui ont été publiés dans la revue scientifique« Journal of Acoustical Society of America »numéro 120 volume 4 pages 1779 à 1782 la possibilité d’identifier une contamination du milieu gazeux à partir d’une mesure d’atténuation des ondes ultrasonores dans ce milieu. Pour ce faire, A. Petculescu et ses coauteurs enseignent qu’il serait possible de déterminer la composition binaire d’un gaz sur la base d’une mesure de la variation de l’atténuation en fonction de la pression du gaz dans une chambre de mesure (plus précisément d’une atténuation normalisé (notée αλ) en fonction de la fréquence de l’onde ultrasonore sur la pression (f/p)). En effet, lors de mesure de variation d’atténuation, la variation d’atténuation présente un pic d’absorption dont l’amplitude et la position seraient caractéristiques de la composition gazeuse et donc du contaminant. A partir de ce pic d’absorption, il semble donc possible d’identifier le contaminant et la quantité introduite.It is also known from the work of A. Petculescu and his co-authors which were published in the scientific journal "Journal of Acoustical Society of America " number 120 volume 4 pages 1779 to 1782 the possibility of identifying contamination of the gaseous medium from a measure of attenuation of ultrasonic waves in this medium. To do this, A. Petculescu and his co-authors teach that it would be possible to determine the binary composition of a gas on the basis of a measurement of the variation in attenuation as a function of gas pressure in a chamber of measurement (more precisely of a normalized attenuation (denoted αλ) as a function of the frequency of the ultrasonic wave on the pressure (f/p)). Indeed, during attenuation variation measurement, the attenuation variation presents an absorption peak whose amplitude and position would be characteristic of the gaseous composition and therefore of the contaminant. From this absorption peak, it therefore seems possible to identify the contaminant and the quantity introduced.
On notera que dans le cadre de leurs travaux, A. Petculescu et ses coauteurs ont démontré, par les figures 3 et 4, que ce pic d’absorption ne présentait aucune dépendance avec la fréquence de l’onde ultrasonore en tant que telle et, par la figure 5, que l’identification du gaz contaminant peut être obtenue sur la base de mesure qu’à une seule fréquence de l’onde ultrasonore.It should be noted that in the context of their work, A. Petculescu and his co-authors demonstrated, by figures 3 and 4, that this absorption peak did not show any dependence on the frequency of the ultrasonic wave as such and, by Figure 5, that the identification of the contaminant gas can be obtained on the basis of measurement only at a single frequency of the ultrasonic wave.
Ainsi, si le dispositif proposé par A. Petculescu et ses coauteurs semble permettre la détection et l’identification d’un gaz contaminant, cette identification nécessite un nombre de mesures important et un système de mise en pression de la chambre de mesure. Le dispositif enseigné par de A. Petculescu et ses coauteurs est donc relativement complexe à mettre en œuvre et n’autorise pas, du fait de cette nécessité de mise en pression de la chambre de mesure à chaque tentative d’identification, une surveillance en continu en raison du temps de mesure.Thus, if the device proposed by A. Petculescu and his co-authors seems to allow the detection and identification of a contaminant gas, this identification requires a large number of measurements and a system for pressurizing the measurement chamber. The device taught by A. Petculescu and his co-authors is therefore relatively complex to implement and does not allow, because of this need to pressurize the measuring chamber at each identification attempt, continuous monitoring due to measurement time.
De ce fait, il n’existe pas de dispositifs de détection et d’identification d’une contamination dans un milieu gazeux réellement adaptés pour permettre l’identification d’un contaminant dans le cadre d’une composition relativement complexe ceci avec une surveillance susceptible d’être mise en œuvre en continu.As a result, there are no devices for detecting and identifying contamination in a gaseous medium that are really suitable for allowing the identification of a contaminant in the context of a relatively complex composition, with monitoring capable of to be continuously implemented.
L’invention vise à remédier à cet inconvénient et a ainsi pour but de fournir un dispositif de détection et d’identification de la contamination d’un milieu gazeux qui autorise la détection et l’identification d’une contamination dans un milieu gazeux présentant une composition relativement complexe, ladite identification pouvant être réalisée en continu.The invention aims to remedy this drawback and thus aims to provide a device for detecting and identifying the contamination of a gaseous medium which allows the detection and identification of contamination in a gaseous medium having a relatively complex composition, said identification being able to be carried out continuously.
L’invention concerne à cet effet un dispositif de détection et d’identification d’une contamination d’un milieu gazeux par au moins un gaz contaminant, le dispositif de détection et d’identification comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons pour émettre au moins une première onde ultrasonore à une première fréquence et au moins une deuxième onde ultrasonore à une deuxième fréquence, la première et la deuxième fréquences étant distinctes l’une de l’autre,
- au moins un récepteur à ultrasons pour fournir au moins un premier et un deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons étant agencés de manière à définir un espace de mesure et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons,
l’unité de traitement étant configurée pour calculer au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, et pour identifier le gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.The invention relates for this purpose to a device for detecting and identifying contamination of a gaseous medium by at least one contaminant gas, the detection and identification device comprising:
- at least one ultrasonic transmitter for transmitting at least a first ultrasonic wave at a first frequency and at least a second ultrasonic wave at a second frequency, the first and the second frequencies being separate from each other,
- at least one ultrasonic receiver for supplying at least a first and a second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and of the second ultrasonic wave, the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver being arranged so as to define a space of measurement and that an ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transmitter is received by the ultrasonic receiver after having passed through the measurement space,
- a processing unit able to determine a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver,
the processing unit being configured to calculate at least one characteristic value of the evolution of attenuation between the first and the second value of attenuation, and to identify the contaminant gas on the basis of the characteristic value of the evolution d attenuation and at least one of the first and the second attenuation value.
En effet, en nécessitant l’utilisation que de deux mesures d’atténuation, l’une à la première fréquence, l’autre à la deuxième fréquence, l’identification du gaz contaminant est plus simple que le procédé de l’art antérieur ceci même avec une composition du milieu gazeux complexe. On notera, de plus, que ces deux mesures pouvant être réalisées sensiblement simultanément, un tel dispositif est adapté pour permettre une surveillance en continu du milieu gazeux.Indeed, by requiring the use of only two attenuation measurements, one at the first frequency, the other at the second frequency, the identification of the contaminant gas is simpler than the method of the prior art this even with a complex gas medium composition. It will also be noted that since these two measurements can be carried out substantially simultaneously, such a device is suitable for allowing continuous monitoring of the gaseous medium.
L’unité de traitement peut en outre être configurée pour déterminer, une fois le gaz contaminant identifié, une quantité dudit gaz se trouvant dans le milieu gazeux à partir de la première et/ou deuxième valeur d’atténuation.The processing unit can also be configured to determine, once the contaminant gas has been identified, a quantity of said gas present in the gaseous medium from the first and/or second attenuation value.
Ainsi, la nature et la quantité du gaz contaminant étant connues, il est aisé d’identifier les risques liés à une telle contamination.Thus, the nature and quantity of the contaminating gas being known, it is easy to identify the risks associated with such contamination.
L’unité de traitement peut être en outre configurée pour déterminer à partir de l’identité du gaz contaminant identifié, une fréquence adaptée parmi au moins la première et la deuxième fréquence, la détermination de la quantité dudit gaz contaminant étant calculée à partir de la valeur d’atténuation correspondant à ladite fréquence adaptée.The processing unit can also be configured to determine from the identity of the identified contaminant gas, a suitable frequency from among at least the first and the second frequency, the determination of the quantity of said contaminant gas being calculated from the attenuation value corresponding to said matched frequency.
De cette manière il est possible d’obtenir une estimation de la quantité de gaz contaminant particulièrement précise.In this way it is possible to obtain a particularly precise estimate of the quantity of contaminant gas.
L’au moins un émetteur d’ultrasons peut être configuré pour émettre au moins une troisième onde ultrasonore à une troisième fréquence distincte de la première et de la deuxième fréquence,
l’au moins un récepteur à ultrasons étant configuré pour fournir au moins un troisième signal caractéristique de respectivement la troisième onde ultrasonore, et
dans lequel la fréquence adaptée est une fréquence parmi au moins la première à la troisième fréquence ultrasonore.The at least one ultrasonic transmitter can be configured to emit at least a third ultrasonic wave at a third frequency distinct from the first and from the second frequency,
the at least one ultrasonic receiver being configured to supply at least one third characteristic signal of respectively the third ultrasonic wave, and
wherein the matched frequency is one of at least the first to the third ultrasonic frequency.
De cette manière, il est possible d’obtenir une estimation de la quantité de gaz contaminant particulièrement précise même dans le cas où le dispositif de détection est adapté pour détecter un grand nombre de gaz contaminant.In this way, it is possible to obtain a particularly precise estimate of the quantity of contaminant gas even in the case where the detection device is adapted to detect a large number of contaminant gases.
La première valeur d’atténuation peut être déterminée à partir d’un rapport entre une valeur caractéristique d’amplitude de la première onde et une valeur caractéristique d’amplitude préalablement déterminée en absence de gaz contaminant dans l’espace de mesure pour au moins une onde ultrasonore présentant la première fréquence, la deuxième valeur d’atténuation étant déterminée à partir d’un rapport entre une valeur caractéristique d’amplitude de la deuxième onde et une valeur caractéristique d’amplitude préalablement déterminée en absence de gaz contaminant dans l’espace de mesure pour au moins une onde ultrasonore présentant la deuxième fréquence.The first attenuation value can be determined from a ratio between a characteristic amplitude value of the first wave and a characteristic amplitude value previously determined in the absence of contaminating gas in the measurement space for at least one ultrasonic wave having the first frequency, the second attenuation value being determined from a ratio between a characteristic amplitude value of the second wave and a characteristic amplitude value previously determined in the absence of contaminating gas in the space measurement for at least one ultrasonic wave having the second frequency.
L’utilisation de tels rapports permet de ne pas avoir à tenir compte de l’influence des différents éléments de mesure du dispositif.The use of such ratios makes it possible not to take into account the influence of the various measuring elements of the device.
Chacune de la première et de la deuxième valeur d’atténuation peut être une valeur d’atténuation normalisée en fréquence, la valeur caractéristique de l’évolution étant une différence de valeurs d’atténuation normalisée entre la première et la deuxième valeur d’atténuation.Each of the first and of the second attenuation value can be a frequency normalized attenuation value, the characteristic value of the evolution being a difference of normalized attenuation values between the first and the second attenuation value.
Une telle valeur d’atténuation normalisée est particulièrement adaptée pour faire ressortir des spécificités de chacun des gaz contaminants.Such a normalized attenuation value is particularly suitable for highlighting the specificities of each of the contaminant gases.
Pour identifier le gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation, l’unité de traitement peut être configurée pour déterminer un signe de la valeur caractéristique de l’évolution et un signe de l’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.To identify the contaminant gas on the basis of the characteristic value of the attenuation evolution and at least one of the first and the second attenuation value, the processing unit can be configured to determine a sign of the characteristic value of the evolution and a sign of the at least one of the first and the second attenuation value.
L’unité de traitement peut être configurée pour identifier un nombre prédéterminé de gaz contaminants, ce nombre prédéterminé de gaz contaminants comprenant préférentiellement l’hydrogène, le méthane et le dioxyde de carbone.The processing unit can be configured to identify a predetermined number of contaminating gases, this predetermined number of contaminating gases preferably comprising hydrogen, methane and carbon dioxide.
De cette manière, le dispositif de détection et d’identification peut être parfaitement adapté aux risques de contamination susceptibles d’apparaître dans les milieux gazeux quels que soit ce milieu gazeux.In this way, the detection and identification device can be perfectly adapted to the risks of contamination likely to appear in gaseous media, whatever this gaseous medium.
Au moins l’un de l’émetteur d’ultrasons et du récepteur à ultrasons peut comprendre au moins un transducteur capacitif micro-usiné (cMUT).At least one of the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver may include at least one capacitive micro-machined transducer (cMUT).
De tels transducteurs capacitifs micro-usinés sont particulièrement avantageux dans le cadre de l’invention, notamment lorsqu’ils sont conformes à l’enseignement du document FR 2962926, puisqu’ils donnent accès à une grande plage de fréquence de fonctionnement, aussi bien pour l’émission que la réception des ondes ultrasonores ceci avec une intégration particulièrement optimiser. Ainsi, l’industrialisation d’un dispositif selon l’invention est rendue particulièrement aisée.Such micro-machined capacitive transducers are particularly advantageous in the context of the invention, in particular when they comply with the teaching of document FR 2962926, since they give access to a wide operating frequency range, both for the emission than the reception of the ultrasonic waves this with a particularly optimized integration. Thus, the industrialization of a device according to the invention is made particularly easy.
L’invention concerne en outre un procédé de détection et d’identification d’une contamination d’un milieu gazeux par un gaz contaminant à partir d’un dispositif de détection et d’identification, le dispositif de détection et d’identification, comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons pour émettre au moins une première onde ultrasonore à une première fréquence et au moins une deuxième onde ultrasonore à une deuxième fréquence, la première et la deuxième fréquences étant distinctes l’une de l’autre,
- au moins un récepteur à ultrasons pour fournir au moins un premier et un deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons étant agencés de manière à définir un espace de mesure et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement (30) apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons,
Le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission de la première et de la deuxième onde ultrasonore par l’émetteur d’ultrasons,
- fourniture, par le récepteur à ultrasons lors de la réception de la première et de la deuxième onde ultrasonore, du premier et du deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore,
- détermination par l’unité de traitement d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons,
- calcul par l’unité de traitement d’au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, et pour identifier le gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation,
- identification par l’unité de traitement d’au moins un gaz contaminant, ladite identification étant réalisée sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.The invention further relates to a method for detecting and identifying contamination of a gaseous medium by a contaminating gas using a detection and identification device, the detection and identification device, comprising :
- at least one ultrasonic transmitter for transmitting at least a first ultrasonic wave at a first frequency and at least a second ultrasonic wave at a second frequency, the first and the second frequencies being separate from each other,
- at least one ultrasonic receiver for supplying at least a first and a second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and of the second ultrasonic wave, the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver being arranged so as to define a space of measurement and that an ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transmitter is received by the ultrasonic receiver after having passed through the measurement space,
- a processing unit (30) able to determine a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver,
The process comprising the following steps:
- emission of the first and the second ultrasonic wave by the ultrasonic transmitter,
- supply, by the ultrasonic receiver when receiving the first and the second ultrasonic wave, of the first and the second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave,
- determination by the processing unit of a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver,
- calculation by the processing unit of at least one characteristic value of the attenuation evolution between the first and the second attenuation value, and to identify the contaminant gas on the basis of the characteristic value of the evolution attenuation and at least one of the first and the second attenuation value,
- identification by the processing unit of at least one contaminant gas, said identification being carried out on the basis of the characteristic value of the evolution of attenuation and of at least one of the first and the second value d 'mitigation.
Un tel procédé, pouvant être mis en œuvre avec un dispositif selon l’invention, il en reprend les avantages.Such a method, which can be implemented with a device according to the invention, takes up the advantages thereof.
Il peut être en outre prévu une étape de :
- détermination par l’unité de traitement et à partir de la première et/ou deuxième valeur d’atténuation d’une quantité dudit gaz contaminant identifié.A step of:
- determination by the processing unit and from the first and/or second attenuation value of a quantity of said identified contaminant gas.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments, given purely for information and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which:
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre.Identical, similar or equivalent parts of the different figures bear the same reference numerals so as to facilitate passage from one figure to another.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.The different parts shown in the figures are not necessarily shown on a uniform scale, to make the figures more readable.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.The different possibilities (variants and embodiments) must be understood as not mutually exclusive and can be combined with each other.
La figure 1 illustre un dispositif de détection et d’identification 1 d’une contamination d’un milieu gazeux par un gaz contaminant selon l’invention, un tel dispositif de détection et d’identification étant adapté pour fournir une détection et une indentification d’une contamination sur la base d’une mesure d’atténuation d’ondes ultrasonores 45 lors de leur passage dans un espace à surveiller 40.FIG. 1 illustrates a device 1 for detecting and identifying contamination of a gaseous medium by a contaminant gas according to the invention, such a detection and identification device being adapted to provide detection and identification of contamination on the basis of an attenuation measurement of ultrasonic waves 45 during their passage through a space to be monitored 40.
On notera que dans le cadre de ce document et de ce premier mode de réalisation, les inventeurs se sont intéressés aux gaz contaminants qui sont le plus susceptibles de contaminer un lieu de stockage de produits chimiques et/ou radioactifs, à savoir l’hydrogène, le méthane et le dioxyde de carbone. Bien entendu, sur la base d’opération d’étalonnage de routine, l’homme du métier est à même d’adapter le présent enseignement à d’autres gaz contaminants sans que l’on sorte du cadre de l’invention.It will be noted that in the context of this document and this first embodiment, the inventors were interested in the contaminant gases which are most likely to contaminate a place of storage of chemical and/or radioactive products, namely hydrogen, methane and carbon dioxide. Of course, on the basis of routine calibration operations, those skilled in the art are able to adapt the present teaching to other contaminating gases without departing from the scope of the invention.
Le dispositif de détection et d’identification selon l’inventionThe detection and identification device according to the invention
Un tel dispositif de détection d’hydrogène 1 comprend :
- au moins un émetteur d’ultrasons 10 apte à émettre des ondes ultrasonores 45,
- au moins un récepteur à ultrasons 20 apte à fournir un signal caractéristique d’une onde ultrasonore 45, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 étant agencés de manière à définir l’espace à surveiller 40 et à ce qu’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons 10 soit reçue par le récepteur à ultrasons 20 après être passée par l’espace de mesure 40,
- une unité de traitement 30 apte à déterminer, à partir d’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons 20 lors de la réception d’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons, une valeur d’atténuation.Such a hydrogen detection device 1 comprises:
- at least one ultrasonic transmitter 10 able to emit ultrasonic waves 45,
- at least one ultrasonic receiver 20 capable of supplying a characteristic signal of an ultrasonic wave 45, the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 20 being arranged so as to define the space to be monitored 40 and that an ultrasonic wave 45 emitted by the ultrasonic transmitter 10 is received by the ultrasonic receiver 20 after passing through the measurement space 40,
- a processing unit 30 capable of determining, from at least one characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver 20 upon reception of an ultrasonic wave 45 emitted by the ultrasonic transmitter, an attenuation value .
Lors de la mise en place du dispositif de détection 1 dans le cadre d’une surveillance d’un milieu gazeux, la détection de la contamination du milieu gazeux peut être réalisée en plaçant le dispositif de détection 1 avec son espace de mesure 40 en communication fluidique avec le milieu gazeux. De cette manière, l’espace de mesure et le milieu gazeux sont à même de partager la même atmosphère avec une composition gazeuse identique.When setting up the detection device 1 in the context of monitoring a gaseous medium, the detection of the contamination of the gaseous medium can be carried out by placing the detection device 1 with its measurement space 40 in communication fluidic with the gaseous medium. In this way, the measurement space and the gaseous medium are able to share the same atmosphere with an identical gaseous composition.
Plus précisément et comme illustré sur la figure 1, l’émetteur d’ultrasons 10 selon ce premier mode de réalisation, comprend :
- une pluralité de premiers transducteurs à ultrasons 11 aptes à émettre des ultrasons,
- un premier support 12 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 11 et,
- une première unité d’amplification 15 configurée pour générer, à partir d’un signal de commande de l’unité de traitement 30, une tension d’alimentation de la pluralité de transducteurs à ultrasons 11.More specifically and as illustrated in Figure 1, the ultrasound transmitter 10 according to this first embodiment, comprises:
- a plurality of first ultrasound transducers 11 capable of emitting ultrasound,
- a first support 12 on which is arranged the plurality of ultrasonic transducers 11 and,
- a first amplification unit 15 configured to generate, from a control signal from the processing unit 30, a supply voltage of the plurality of ultrasonic transducers 11.
Selon une possibilité avantageuse de l’invention, les premiers transducteurs à ultrasons 11 sont des transducteurs cMUT, pour transducteurs capacitifs micro-usinés, tels que décrits dans le document FR 2962926. Conformément à l’enseignement de ce document, les premiers transducteurs cMUT selon ce mode de réalisation de l’invention, comprennent chacun une membrane et présentent une fréquence de résonnance de cette membrane. La fréquence de résonnance de la membrane est choisie comme étant supérieure à la fréquence des ondes ultrasonores à générer. Cette fréquence de résonnance peut ainsi être 125% à 200% de la fréquence maximale des ondes ultrasonores à générer.According to an advantageous possibility of the invention, the first ultrasonic transducers 11 are cMUT transducers, for micro-machined capacitive transducers, as described in document FR 2962926. In accordance with the teaching of this document, the first cMUT transducers according to this embodiment of the invention, each comprise a membrane and have a resonance frequency of this membrane. The resonant frequency of the membrane is chosen to be higher than the frequency of the ultrasonic waves to be generated. This resonance frequency can thus be 125% to 200% of the maximum frequency of the ultrasonic waves to be generated.
Ainsi, par exemple, pour une fréquence maximale des ondes ultrasonores à générer égale à 3 MHz, les transducteurs à ultrasons selon ce premier mode de réalisation peuvent présenter une fréquence de résonnance qui est comprise entre 3,75 MHz et 6 MHz.Thus, for example, for a maximum frequency of the ultrasonic waves to be generated equal to 3 MHz, the ultrasonic transducers according to this first embodiment can have a resonance frequency which is between 3.75 MHz and 6 MHz.
Conformément à l’invention, l’émetteur d’ultrasons 10 est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à une première et à une deuxième fréquence distinctes l’une de l’autre avec une amplitude donnée A0respective ou identique.According to the invention, the ultrasonic transmitter 10 is configured to emit ultrasonic waves at a first and at a second frequency distinct from each other with a given amplitude A 0 respectively or identical.
De tels premiers transducteurs à ultrasons 11 sont particulièrement avantageux dans le présent mode de réalisation puisqu’ils autorisent la génération d’ondes ultrasonores sur une plage de fréquences relativement importante.Such first ultrasonic transducers 11 are particularly advantageous in the present embodiment since they allow the generation of ultrasonic waves over a relatively large frequency range.
Bien entendu, une telle configuration n’est fournie qu’à titre d’exemple et d’autres types de transducteurs à ultrasons peuvent être utilisés sans que l’on sorte du cadre de l’invention. On notera en particulier qu’il est envisageable en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, que l’émetteur d’ultrasons 10 comprenne au moins deux types de transducteurs à ultrasons, un premier type adapté à la première fréquence et un deuxième type adapté à la deuxième fréquence.Of course, such a configuration is only provided by way of example and other types of ultrasonic transducers can be used without departing from the scope of the invention. It will be noted in particular that it is conceivable as a variant and without departing from the scope of the invention, that the ultrasonic transmitter 10 comprises at least two types of ultrasonic transducers, a first type adapted to the first frequency and a second type matched to the second frequency.
Les premiers transducteurs à ultrasons 11 sont agencés sur le premier support 12 de manière à définir une première paroi de l’espace à surveiller 40.The first ultrasound transducers 11 are arranged on the first support 12 so as to define a first wall of the space to be monitored 40.
Comme montré sur la figure 1, le récepteur à ultrasons 20 comprend :
- une pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 aptes à recevoir des ondes ultrasonores et à générer à partir desdites ondes ultrasonores, un signal de mesure correspondant aux ondes ultrasonores reçues,
- un deuxième support 22 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 21 et,
- une alimentation continue 23, apte à alimenter par une tension continue les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- une deuxième unité d’amplification 25 configurée pour amplifier le signal de mesure fourni par la pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21.As shown in Figure 1, the ultrasonic receiver 20 includes:
- a plurality of second ultrasonic transducers 21 able to receive ultrasonic waves and to generate from said ultrasonic waves, a measurement signal corresponding to the ultrasonic waves received,
- a second support 22 on which is arranged the plurality of ultrasonic transducers 21 and,
- a DC power supply 23, capable of supplying the second ultrasonic transducers 21 with a DC voltage,
- a second amplification unit 25 configured to amplify the measurement signal supplied by the plurality of second ultrasonic transducers 21.
Selon une possibilité de l’invention, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 peuvent être d’un type identique aux premiers transducteurs à ultrasons 11. Ainsi, dans le présent mode de réalisation, et comme le montre la figure 1, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 11 sont des cMUT, pour transducteurs capacitifs micro-usinés, conformes à l’enseignement du document FR 2962926.According to one possibility of the invention, the second ultrasonic transducers 21 can be of a type identical to the first ultrasonic transducers 11. Thus, in the present embodiment, and as shown in FIG. 1, the second ultrasonic transducers 11 are cMUTs, for micro-machined capacitive transducers, in accordance with the teaching of document FR 2962926.
Bien entendu, en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 peuvent être d’un autre type. D’une même façon que pour l’émetteur d’ultrasons 10, il est envisageable en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, que le récepteur à ultrasons 20 comprenne au moins deux types de transducteurs à ultrasons 21, un premier type adapté à la première fréquence et un deuxième type adapté à la deuxième fréquence.Of course, as a variant and without departing from the scope of the invention, the second ultrasonic transducers 21 can be of another type. In the same way as for the ultrasonic transmitter 10, it is conceivable as a variant and without departing from the scope of the invention, that the ultrasonic receiver 20 comprises at least two types of ultrasonic transducers 21 , a first type adapted to the first frequency and a second type adapted to the second frequency.
Les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 sont agencés sur le deuxième support 22 en face des premiers transducteurs à ultrasons 11 de manière à ce que le deuxième support 22 définisse une deuxième paroi de l’espace à surveiller 40. Ainsi le premier et le deuxième support 12, 22 définissent ensemble, par l’espace qu’ils délimitent entre eux, l’espace à surveiller 40.The second ultrasonic transducers 21 are arranged on the second support 22 opposite the first ultrasonic transducers 11 so that the second support 22 defines a second wall of the space to be monitored 40. Thus the first and the second support 12 , 22 together define, by the space they delimit between them, the space to be monitored 40.
Bien entendu, un tel agencement de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 n’est fourni qu’à titre d’exemple et est nullement limitatif. D’autres agencements sont parfaitement envisageables tant que l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons 20 sont agencés pour définir l’espace de mesure 40 et tant qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure 40.Of course, such an arrangement of the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 20 is provided by way of example only and is in no way limiting. Other arrangements are perfectly possible as long as the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver 20 are arranged to define the measurement space 40 and as long as an ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transmitter is received by the ultrasonic receiver after passing through the measurement space 40.
Les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 sont alimentés en tension par l’alimentation continue 23 et le signal de mesure généré par les deuxièmes transducteurs lors de la réception d’une onde ultrasonore est amplifié par la deuxième unité d’amplification 25. Ce signal de mesure ainsi amplifié forme un signal caractéristique de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur à ultrasons 10.The second ultrasonic transducers 21 are supplied with voltage by the DC power supply 23 and the measurement signal generated by the second transducers when an ultrasonic wave is received is amplified by the second amplification unit 25. This measurement signal thus amplified forms a characteristic signal of the ultrasonic wave emitted by the ultrasonic transmitter 10.
Le signal de mesure est fourni par le deuxième amplificateur 25 à l’unité de traitement 30.The measurement signal is supplied by the second amplifier 25 to the processing unit 30.
L’unité de traitement 30 est plus précisément apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons 20.The processing unit 30 is more precisely able to determine a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver 20.
L’unité de traitement est également configurée pour calculer au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, et pour identifier le gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.The processing unit is also configured to calculate at least one characteristic value of the attenuation evolution between the first and the second attenuation value, and to identify the contaminant gas on the basis of the characteristic value of the evolution attenuation and at least one of the first and the second attenuation value.
Afin de mieux comprendre le principe d’identification du gaz contaminant mis en œuvre par l’unité de traitement, le principe de mesure développé par les inventeurs dans le cadre de l’invention est expliqué ci-après.In order to better understand the principle of identification of the contaminant gas implemented by the processing unit, the principle of measurement developed by the inventors in the context of the invention is explained below.
Principe de mesure mis en œuvre dans le cadre de l’inventionPrinciple of measurement implemented in the context of the invention
La figure 1 illustre le principe d’une telle identification. L’unité de traitement 30 fournissant le signal de commande à la première unité d’amplification 15 qui alimente à son tour les premiers transducteurs à ultrasons 11, une onde ultrasonore 45 qui émise présentera une amplitude A0répondant à l’équation suivante :Figure 1 illustrates the principle of such identification. The processing unit 30 supplying the control signal to the first amplification unit 15 which in turn supplies the first ultrasonic transducers 11, an emitted ultrasonic wave 45 will have an amplitude A 0 corresponding to the following equation:
Avec S l’amplitude du signal de commande, HAmp 1la fonction de transfert de la première unité d’amplification 15, HEmetla fonction de transfert des premiers transducteurs à ultrasons 11.With S the amplitude of the control signal, H Amp 1 the transfer function of the first amplification unit 15, H Emits the transfer function of the first ultrasonic transducers 11.
L’onde ultrasonore 45 lors de son transit dans l’espace de mesure 40 va présenter une atténuation HGazdirectement proportionnelle à la distance d parcourue et dépendant de la composition du gaz se trouvant dans l’espace de mesure 40. Une telle atténuation HGazpeut se calculer avec l’équation suivante :The ultrasonic wave 45 during its transit in the measurement space 40 will present an attenuation H Gas directly proportional to the distance d traveled and depending on the composition of the gas located in the measurement space 40. Such an attenuation H Gas can be calculated with the following equation:
Avec αGazun coefficient d’atténuation du gaz correspondant à la composition du gaz se trouvant dans l’espace de mesure 40 et A l’amplitude de l’onde ultrasonore reçue par les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21.With α Gas a gas attenuation coefficient corresponding to the composition of the gas located in the measurement space 40 and A the amplitude of the ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducers 21.
Ainsi, l’amplitude A de l’onde ultrasonore reçue par les deuxièmes transducteurs à ultrasons sera donc égale à :Thus, the amplitude A of the ultrasonic wave received by the second ultrasonic transducers will therefore be equal to:
Concernant le détecteur, le signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons à l’unité de traitement sera dépendant à la fois de la fonction de transfert Hréceptdes deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 et de la fonction de transfert HAmp2de la deuxième unité d’amplification. Le signal caractéristique SC aractrépond donc à l’équation suivante :Concerning the detector, the characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver to the processing unit will be dependent both on the transfer function H recept of the second ultrasonic transducers 21 and on the transfer function H Amp2 of the second unit d 'amplification. The characteristic signal S C aract therefore responds to the following equation:
Autrement dit, à partir du signal caractéristique SC aractet d’un signal de commande S donné, et en connaissant l’ensemble des fonctions de transfert de chacun des éléments 11, 15, 21, 25 du dispositif de détection 1, il est possible de déterminer l’atténuation HGaz=
Néanmoins, selon une possibilité de l’invention, afin de se prémunir de la nécessité de caractériser la fonction de transfert de chacun des éléments 11, 15, 21, 25 du dispositif de détection 1, il est envisageable d’utiliser une mesure de référence
SRefétant le signal caractéristique récupéré par l’unité de traitement 30 lors de la mesure de référence préalable, et
Ainsi, avec un tel dispositif de détection 1 et par l’utilisation d’une mesure de référence préalable, il est aisé de déterminer une variation du coefficient d’atténuation ΔαGaz=αGaz– αRefen tant que valeur d’atténuation.Thus, with such a detection device 1 and by using a prior reference measurement, it is easy to determine a variation of the attenuation coefficient Δα Gas =α Gas -α Ref as attenuation value.
A partir de ce principe et dans le cadre de l’invention, les inventeurs ont démontré que l’atténuation mesurée en présence d’un gaz contaminant présente une variation avec les fréquences d’ultrasons qui est fonction du gaz contaminant. Ainsi, si on prend l’exemple de l’hydrogène, on observe que pour les fréquences d’onde ultrasonores supérieures ou égales à 2 MHz, voire supérieures ou égales à 2,5 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazmesurée est principalement reliée à la concentration en hydrogène, les inventeurs ayant identifié que cette variation était faible pour le dioxyde de carbone et le méthane. Pour obtenir un tel résultat, comme illustré sur la figure 2, les inventeurs ont étudié l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazpour différents gaz susceptibles de contaminer l’espace de mesure en fonction de la fréquence de l’onde ultrasonore 45.Based on this principle and within the scope of the invention, the inventors have demonstrated that the attenuation measured in the presence of a contaminant gas exhibits a variation with the ultrasound frequencies which is a function of the contaminant gas. Thus, if we take the example of hydrogen, we observe that for ultrasonic wave frequencies greater than or equal to 2 MHz, or even greater than or equal to 2.5 MHz, the variation in the attenuation coefficient Δα Gas measured is mainly related to the hydrogen concentration, the inventors having identified that this variation was low for carbon dioxide and methane. To obtain such a result, as illustrated in FIG. 2, the inventors studied the evolution of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas for different gases likely to contaminate the measurement space as a function of the frequency of the wave ultrasound 45.
Pour cette démonstration, les inventeurs ont utilisé la configuration suivante :
- un analyseur de réseau AGILENT™ E5061B en tant que premier amplificateur 15 pour générer une excitation électrique de 800 mV crête-à-crête qui est amplifiée avec un gain de 100 pour atteindre 80 V crête-à-crête et à laquelle est ajoutée une composante continue de 40 V,
- une alimentation continue 23 configurée pour appliquer une tension continue de 70 V aux deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- un deuxième amplificateur 25 fourni par un amplificateur de charge COOKNELL™, l’analyseur de réseau permettant de mesurer le signal caractéristique fourni par le deuxième amplificateur 25.For this demonstration, the inventors used the following configuration:
- an AGILENT™ E5061B network analyzer as the first amplifier 15 to generate an electrical excitation of 800 mV peak-to-peak which is amplified with a gain of 100 to reach 80 V peak-to-peak and to which is added a DC component of 40 V,
- a DC power supply 23 configured to apply a DC voltage of 70 V to the second ultrasonic transducers 21,
- a second amplifier 25 supplied by a COOKNELL™ charge amplifier, the network analyzer making it possible to measure the characteristic signal supplied by the second amplifier 25.
Dans ce démonstrateur utilisé par les inventeurs pour illustrer le principe de l’invention, l’analyseur de réseau AGILENT™ E5061B fournit une partie des fonctions de l’unité de traitement 30.In this demonstrator used by the inventors to illustrate the principle of the invention, the AGILENT™ E5061B network analyzer provides part of the functions of the processing unit 30.
Ainsi, la figure 2 montre l’évolution de la variation ΔαGazpour un gaz d’azote dans lequel a été respectivement introduit 1% d’hydrogène (courbe 101), 1% de dioxyde de carbone (courbe 102) et 1% de méthane (courbe 103) et, la mesure de référence ayant été réalisée pour un gaz d’azote non contaminé, c’est-à-dire de l’azote sensiblement pur. Pour une onde ultrasonore de 2 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazest de l’ordre de 7 m-1pour l’hydrogène, 101, alors qu’elle est inférieure, en valeur absolue, à 3 m-1pour le dioxyde de carbone, 102, et le méthane, 103. Pour une onde ultrasonore de 2,5 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazest de l’ordre de 10 m-1 pour l’hydrogène, 101, alors que cette même variation reste inférieure à 3 m-1, en valeur absolue, pour le dioxyde de carbone, 102, et le méthane, 103. On peut voir sur la figure 2 que cette sélectivité à l’hydrogène augmente avec la fréquence, notamment pour les fréquences supérieures à 3 MHz, ou encore à 3,5 MHz, voire à 4 MHz.Thus, figure 2 shows the evolution of the variation ΔαGasfor a nitrogen gas into which was respectively introduced 1% hydrogen (curve 101), 1% carbon dioxide (curve 102) and 1% methane (curve 103) and, the reference measurement having been carried out for uncontaminated nitrogen gas, i.e. substantially pure nitrogen. For a 2 MHz ultrasonic wave, the variation of the attenuation coefficient ΔαGasis of the order of 7 m-1for hydrogen, 101, while it is less, in absolute value, than 3 m-1for carbon dioxide, 102, and methane, 103. For an ultrasonic wave of 2.5 MHz, the variation of the attenuation coefficient ΔαGasis of the order of 10 m-1 for hydrogen, 101, while this same variation remains less than 3 m-1, in absolute value, for carbon dioxide, 102, and methane, 103. It can be seen in Figure 2 that this selectivity for hydrogen increases with frequency, especially for frequencies above 3 MHz, or even at 3.5 MHz, even 4 MHz.
Il est à noter que, sauf précision contraire, l’ensemble des valeurs de proportion en gaz fourni ci-dessus et dans le reste de ce document sont des proportions molaires, une telle proportion molaire en gaz correspondant directement à la même valeur de proportion volumique.It should be noted that, unless otherwise specified, all of the gas proportion values provided above and in the rest of this document are molar proportions, such a molar gas proportion corresponding directly to the same volume proportion value .
Lors de cette même étude, à l’origine de l’invention, les inventeurs ont également démontré que, comme cela est illustré sur la figure 3, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazvarie linéairement avec la présence de l’hydrogène ceci quelle que soit la fréquence de l’onde ultrasonore. Pour ce faire, les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% d’hydrogène, 3% d’hydrogène, 2% d’hydrogène, 1% d’hydrogène, et une nouvelle fois 4%, ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 111), 3,6 MHz (courbe 112) et 4,1 MHz (courbe 113) tout au long de ces introductions d’hydrogène.During this same study, at the origin of the invention, the inventors also demonstrated that, as illustrated in Figure 3, the variation of the attenuation coefficient Δα Gas varies linearly with the presence of hydrogen this regardless of the frequency of the ultrasonic wave. To do this, the inventors introduced into an atmosphere consisting of nitrogen in turn 4% hydrogen, 3% hydrogen, 2% hydrogen, 1% hydrogen, and again 4%, this over a given time range, the nitrogenous atmosphere of the measurement space 40 being re-established between two introductions. During these introductions, the evolution of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas was determined for three ultrasonic wave frequencies, 2 MHz (curve 111), 3.6 MHz (curve 112) and 4.1 MHz ( curve 113) throughout these introductions of hydrogen.
On peut ainsi voir que la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazévolue linéairement avec la quantité d’hydrogène introduite ceci quelle que soit la fréquence d’onde ultrasonore retenue. En effet, à partir de ces mesures, les inventeurs ont mesuré une sensibilité de 0,062 cm-1.%-1à 2 MHz, une sensibilité de 0,175 cm-1.%-1à 3,6 MHz et une sensibilité de 0,211 cm-1.%-1 à 4,1 MHz.We can thus see that the variation of the attenuation coefficient ΔαGasevolves linearly with the amount of hydrogen introduced, whatever the ultrasonic wave frequency used. Indeed, from these measurements, the inventors measured a sensitivity of 0.062 cm-1.%-1at 2 MHz, a sensitivity of 0.175 cm-1.%-1at 3.6 MHz and a sensitivity of 0.211 cm-1.%-1 at 4.1MHz.
De plus, comme cela est montré sur les figures 4 et 5, les inventeurs ont également découvert que si la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazchange de manière prépondérante avec la proportion d’hydrogène dans l’espace de mesure 40 pour les fréquences d’ondes ultrasonores supérieures à 2 MHz, l’évolution de la variation de ce coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore est caractéristique du gaz contaminant ajouté dans l’espace de mesure 40.In addition, as shown in Figures 4 and 5, the inventors have also discovered that if the variation of the attenuation coefficient Δα Gas changes predominantly with the proportion of hydrogen in the measurement space 40 for the frequencies ultrasonic waves above 2 MHz, the evolution of the variation of this attenuation coefficient Δα Gas with the frequency of the ultrasonic wave is characteristic of the contaminant gas added in the measurement space 40.
On peut ainsi voir cela sur la figure 4 qui montre le résultat de mesures lors desquelles les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% de dioxyde de carbone, 3% de dioxyde de carbone, 2% de dioxyde de carbone, 1% de dioxyde de carbone, et une nouvelle fois 4% de dioxyde de carbone ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 121), 3,6 MHz (courbe 122) et 4,1 MHz (courbe 123) tout au long de ces introductions de dioxyde de carbone.This can thus be seen in FIG. 4, which shows the result of measurements during which the inventors introduced into an atmosphere consisting of nitrogen in turn 4% carbon dioxide, 3% carbon dioxide, 2% carbon, 1% carbon dioxide, and once again 4% carbon dioxide over a given time range, the nitrogenous atmosphere of the measurement space 40 being re-established between two introductions. During these introductions, the evolution of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas was determined for three ultrasonic wave frequencies, 2 MHz (curve 121), 3.6 MHz (curve 122) and 4.1 MHz ( curve 123) throughout these introductions of carbon dioxide.
Pour le dioxyde de carbone, les inventeurs ont ainsi identifié que la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazévolue linéairement avec la quantité de dioxyde de carbone se trouvant dans l’espace de mesure 40, ceci avec un coefficient directeur positif, et que, comme pour l’hydrogène, cette même variation du coefficient d’atténuation ΔαGazaugmente, lorsque la fréquence de l’onde ultrasonore 45 augmente.For carbon dioxide, the inventors have thus identified that the variation of the attenuation coefficient Δα Gas evolves linearly with the quantity of carbon dioxide found in the measurement space 40, this with a positive leading coefficient, and that, as for hydrogen, this same variation of the attenuation coefficient Δα Gas increases when the frequency of the ultrasonic wave 45 increases.
Concernant le méthane, comme cela est montré sur la figure 5 qui illustre le résultat de mesures lors desquelles les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% de méthane, 3% de méthane, 2% de méthane, 1% de méthane, et une nouvelle fois 4% de méthane ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza encore une fois été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 131), 3,6 MHz (courbe 132) et 4,1 MHz (courbe 133) tout au long de ces introductions de méthane.Regarding methane, as shown in Figure 5 which illustrates the result of measurements during which the inventors introduced into an atmosphere consisting of nitrogen in turn 4% methane, 3% methane, 2% methane, 1 % of methane, and once again 4% of methane over a given time range, the nitrogenous atmosphere of the measurement space 40 being re-established between two introductions. During these introductions, the evolution of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas was once again determined for three ultrasonic wave frequencies, 2 MHz (curve 131), 3.6 MHz (curve 132) and 4, 1 MHz (curve 133) throughout these methane introductions.
Pour le méthane, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazvarie également linéairement avec la quantité de méthane, le coefficient directeur étant négatif contrairement à l’hydrogène et au dioxyde de carbone (l’atténuation diminue lorsque l’on introduit plus de méthane), et que, comme pour le dioxyde de carbone, cette même variation du coefficient d’atténuation ΔαGazaugmente, en valeur absolue, lorsque la fréquence de l’onde ultrasonore 45 augmente.For methane, the variation of the attenuation coefficient Δα Gas also varies linearly with the quantity of methane, the leading coefficient being negative unlike for hydrogen and carbon dioxide (the attenuation decreases when more methane is introduced ), and that, as for carbon dioxide, this same variation of the attenuation coefficient Δα Gas increases, in absolute value, when the frequency of the ultrasonic wave 45 increases.
Le résultat de l’ensemble de ces mesures est résumé dans le tableau suivant qui présente la sensibilité de la variation du coefficient d’atténuation vis-à-vis de la proportion d’hydrogène, de dioxyde de carbone et de méthane, ceci pour les trois fréquences d’ondes ultrasonores étudiées.The result of all these measurements is summarized in the following table which presents the sensitivity of the variation of the attenuation coefficient with respect to the proportion of hydrogen, carbon dioxide and methane, this for three ultrasonic wave frequencies studied.
en cm-1.%-1 H2
in cm -1 .% -1
en cm-1.%-1 CO2
in cm -1 .% -1
en cm-1.%-1 CH 4
in cm -1 .% -1
A partir de ce principe, l’unité de traitement 30 est donc apte à déterminer, à partir du signal caractéristique SC aract, une première et une deuxième valeur d’atténuation pour respectivement la première et de la deuxième onde ultrasonore, telle que par exemple la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazou la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazmultiplié par d, et pour déterminer à partir desdites première et deuxième valeur d’atténuation des valeurs caractéristiques d’une contamination du milieu gazeux par au moins un gaz contaminant.Based on this principle, the processing unit 30 is therefore able to determine, from the characteristic signal S C aract , a first and a second attenuation value for the first and second ultrasonic waves respectively, such as by example the variation of the attenuation coefficient Δα Gas or the variation of the attenuation coefficient Δα Gas multiplied by d, and to determine from said first and second attenuation values values characteristic of contamination of the gaseous medium by at least a contaminant gas.
Une telle évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore et avec la quantité de gaz qui est donc caractéristique du gaz contaminant, peut donc être employée pour l’identification du gaz contaminant à l’origine d’une contamination du milieu gazeux.Such an evolution of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas with the frequency of the ultrasonic wave and with the quantity of gas which is therefore characteristic of the contaminant gas, can therefore be used for the identification of the contaminant gas at the origin contamination of the gaseous medium.
Identification de la nature de la contaminationIdentification of the nature of the contamination
Ainsi, à partir des résultats présentés ci-dessus dans la partie «principe de mesure mis en œuvre dans le cadre de l’invention », les inventeurs ont développé un procédé d’identification du gaz contaminant basé sur le fait que l’évolution de la variation de ce coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore est caractéristique du gaz contaminant.Thus, from the results presented above in the " measuring principle implemented in the context of the invention " part, the inventors have developed a method for identifying the contaminant gas based on the fact that the evolution of the variation of this attenuation coefficient Δα Gas with the frequency of the ultrasonic wave is characteristic of the contaminant gas.
Dans le cadre de cette identification d’une contamination, les inventeurs ont retenu la variation de l’atténuation normalisée en fréquence Δαnen tant que valeur d’atténuation, vis-à-vis de la variation d’atténuation « non normalisée en fréquence », qui permet de mieux mettre en exergue les spécificités de chacun des gaz envisagés (l’hydrogène, le méthane et le dioxyde de carbone). Cette valeur d’atténuation dite normalisée en fréquence Δαnest égale à la valeur de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazdivisée par la fréquence f. Bien entendu, l’utilisation de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnen tant que valeur d’atténuation dans le cadre de l’invention n’est fournie qu’à titre d’exemple et d’autres valeurs d’atténuation, telles que la variation d’atténuation ΔαGaz, qui est donc « non normalisée en fréquence », peuvent bien entendu également être utilisées dans le cadre d’un procédé d’identification selon l’invention.Within the framework of this identification of a contamination, the inventors retained the variation of the normalized attenuation in frequency Δα n as the value of attenuation, with respect to the variation of attenuation “not normalized in frequency », which makes it possible to better highlight the specificities of each of the gases considered (hydrogen, methane and carbon dioxide). This so-called normalized frequency attenuation value Δα n is equal to the value of the variation of the attenuation coefficient Δα Gas divided by the frequency f. Of course, the use of the normalized attenuation variation in frequency Δα n as an attenuation value in the context of the invention is only provided by way of example and other attenuation values , such as the attenuation variation Δα Gas , which is therefore “non-standardized in frequency”, can of course also be used in the context of an identification method according to the invention.
En effet, la figure 6, qui illustre l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation normalisée en fréquence Δαn en fonction de la fréquence (les courbes 141, 142 et 143 correspondant à une introduction de respectivement 1% d’hydrogène, 4% de dioxyde de carbone et 4% de méthane), montre que, avec la variation du coefficient d’atténuation normalisée en fréquence Δαnen tant que valeur d’atténuation, on obtient pour une première et une deuxième fréquence à 2 MHz et 3,6 MHz :
- pour l’hydrogène, la courbe 141 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, présentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation positive de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le dioxyde de carbone, la courbe 142 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, présentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le méthane, la courbe 143 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, présentant un signe négatif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence.Indeed, figure 6, which illustrates the evolution of the variation of the normalized attenuation coefficient in frequency Δαnot as a function of frequency (the curves 141, 142 and 143 corresponding to an introduction of respectively 1% hydrogen, 4% carbon dioxide and 4% methane), shows that, with the variation of the normalized attenuation coefficient in frequency Δαnotas an attenuation value, we obtain for a first and a second frequency at 2 MHz and 3.6 MHz:
- for hydrogen, curve 141 shows an attenuation value, the normalized attenuation variation in frequency Δαnot, presenting a positive sign (both at 2 MHz and at 3.6 MHz) and a positive variation of this same attenuation value when passing from the first to the second frequency,
- for carbon dioxide, curve 142 shows an attenuation value, the normalized attenuation variation in frequency Δαnot, having a positive sign (both at 2 MHz and 3.6 MHz) and a negative variation of this same attenuation value when passing from the first to the second frequency,
- for methane, curve 143 shows an attenuation value, the normalized attenuation variation in frequency Δαnot, presenting a negative sign (both at 2 MHz and at 3.6 MHz) and a negative variation of this same attenuation value when passing from the first to the second frequency.
Ainsi en cas d’observation d’une variation de l’atténuation d’une onde ultrasonore dans la chambre de mesure et donc d’une potentielle contamination du milieu gazeux par un gaz contaminant, à partir de deux paramètres d’atténuation seuls, le signe de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn(aussi bien à la première fréquence qu’à la deuxième fréquence) et le signe de l’évolution de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnentre la première et la deuxième fréquence, il est aisé de déterminer la nature de gaz contaminant présent dans le milieu gazeux.Thus, in the event of observation of a variation in the attenuation of an ultrasonic wave in the measurement chamber and therefore of a potential contamination of the gaseous medium by a contaminant gas, from two attenuation parameters alone, the sign of the normalized attenuation variation in frequency Δα n (both at the first frequency and at the second frequency) and the sign of the evolution of the normalized attenuation variation in frequency Δα n between the first and the second frequency, it is easy to determine the nature of the contaminating gas present in the gaseous medium.
Selon cette possibilité, l’unité de traitement 30 peut être configurée pour autoriser la mise en œuvre d’un procédé d’identification comprenant les étapes suivantes :
- émission par l’émetteur d’ultrasons 10 de la première et de la deuxième onde ultrasonore à respectivement la première et la deuxième fréquence,
- mesure d’un premier et d’un deuxième signal caractéristique par le récepteur à ultrasons 20 de respectivement la première et de la deuxième onde ultrasonore,
- détermination d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation, ici les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences Δαn(f1) et Δαn(f2), respective à partir de respectivement les premier et deuxième signaux caractéristiques mesurés,
- calcul d’au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, ici un différence entre les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences,
- identification de la nature de l’éventuel gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation (Δαn(f2)-Δαn(f1)), ceci par exemple à partir de paramètres d’atténuation,
- détermination d’une valeur caractéristique de la présence de l’éventuel gaz identifié.According to this possibility, the processing unit 30 can be configured to authorize the implementation of an identification method comprising the following steps:
- emission by the ultrasonic transmitter 10 of the first and the second ultrasonic wave respectively at the first and the second frequency,
- measurement of a first and a second characteristic signal by the ultrasonic receiver 20 of respectively the first and the second ultrasonic wave,
- determination of a first and a second attenuation value, here the normalized attenuation variations at the first and second frequencies Δα n (f1) and Δα n (f2), respectively from respectively the first and second signals characteristics measured,
- calculation of at least one characteristic value of the change in attenuation between the first and the second attenuation value, here a difference between the normalized attenuation variations at the first and second frequencies,
- identification of the nature of the possible contaminant gas on the basis of the characteristic value of the attenuation evolution and at least one of the first and the second attenuation value (Δα n (f2)- Δαn(f1)), this for example from attenuation parameters,
- determination of a value characteristic of the presence of any identified gas.
Afin de permettre l’identification de la nature de l’éventuel gaz contaminant, l’unité de traitement 30 peut ainsi être configurée pour déterminer au moins deux paramètres d’atténuation, dont :
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence, ici le signe de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnsoit à la première fréquence, soit à la deuxième fréquence Sign(Δαn(f1ou f2),
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation normalisée déterminée pour la deuxième fréquence, ladite différence correspondant à une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation qui sont ici les variations d’atténuation normalisée Δαn, Sign(Δαn(f2) - Δαn(f1)).In order to allow the nature of the possible contaminant gas to be identified, the processing unit 30 can thus be configured to determine at least two attenuation parameters, including:
- a sign of the attenuation value determined for one of the first and second frequencies, here the sign of the normalized attenuation variation in frequency Δα n either at the first frequency or at the second frequency Sign( Δα n (f1 or f2),
- a sign of the difference between the attenuation value determined for the first frequency and the normalized attenuation value determined for the second frequency, said difference corresponding to a characteristic value of the change in attenuation between the first and the second attenuation value which are here the normalized attenuation variations Δα n , Sign(Δα n (f2) - Δα n (f1)).
Bien entendu, ces deux paramètres ne sont fournis qu’à titre d’exemple, d’autres paramètres d’atténuation peuvent être envisagés sans que l’on sorte du cadre de l’invention, sachant que ces paramètres devant, selon le principe de l’invention être déterminés à partir de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation. On notera en particulier, dans le cas où on s’intéresserait à un nombre plus important de gaz contaminants, qu’il est parfaitement envisageable d’utiliser une valeur de pente à la première fréquence ou encore, lorsqu’une fuite est avérée, un rapport de variation entre la variation d’atténuation normalisée en fréquence à la première fréquence Δαn(f1) et la variation d’atténuation normalisée en fréquence à la deuxième fréquence Δαn(f2).Of course, these two parameters are only provided by way of example, other attenuation parameters can be envisaged without departing from the scope of the invention, knowing that these parameters must, according to the principle of the invention be determined from the characteristic value of the attenuation evolution and from at least one of the first and the second attenuation value. It will be noted in particular, in the case where one is interested in a larger number of contaminating gases, that it is perfectly possible to use a slope value at the first frequency or even, when a leak is proven, a variation ratio between the normalized frequency attenuation variation at the first frequency Δα n (f1) and the normalized frequency attenuation variation at the second frequency Δα n (f2).
Une fois un gaz contaminant identifié, l’unité de traitement 30 peut en outre être configurée pour déterminer une valeur caractéristique de la présence du gaz contaminant identifié. Une telle valeur caractéristique de la présence du gaz contaminant peut être déterminée à partir d’au moins l’une de la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence. D’une manière avantageuse la valeur d’atténuation utilisée pour déterminer la valeur caractéristique de présence du gaz contaminant peut-être la valeur d’atténuation parmi la valeur d’atténuation déterminée pour la première et la deuxième fréquence qui est attendue comme présentant la sensibilité la plus importante pour le gaz contaminant identifié, la fréquence correspondante est dite fréquence adaptée. On notera que dans le présent mode de réalisation, une valeur d’atténuation à une troisième fréquence égale à 4,1 MHz a été également déterminée, la sélection se faisant ainsi entre les valeurs d’atténuation déterminées pour la première à la troisième fréquence.Once a contaminant gas has been identified, the processing unit 30 can also be configured to determine a value characteristic of the presence of the identified contaminant gas. Such a value characteristic of the presence of the contaminant gas can be determined from at least one of the attenuation value determined for the first frequency and the attenuation value determined for the second frequency. Advantageously, the attenuation value used to determine the characteristic value of the presence of the contaminant gas may be the attenuation value among the attenuation value determined for the first and the second frequency which is expected as having the sensitivity the most important for the identified contaminant gas, the corresponding frequency is called the adapted frequency. It will be noted that in the present embodiment, an attenuation value at a third frequency equal to 4.1 MHz has also been determined, the selection thus being made between the attenuation values determined for the first to the third frequency.
Ainsi, selon cette variante de l’invention, l’émetteur d’ultrasons 10 peut être configuré pour émettre au moins une troisième onde ultrasonore à une troisième fréquence distincte de la première et de la deuxième fréquence. Le récepteur à ultrasons 20 est configuré pour fournir au moins un troisième signal caractéristique de respectivement la troisième onde ultrasonore, et la fréquence adaptée est une fréquence parmi au moins la première à la troisième fréquence ultrasonore.Thus, according to this variant of the invention, the ultrasonic transmitter 10 can be configured to emit at least a third ultrasonic wave at a third frequency distinct from the first and the second frequency. The ultrasonic receiver 20 is configured to supply at least a third characteristic signal of respectively the third ultrasonic wave, and the adapted frequency is one of at least the first to the third ultrasonic frequency.
Afin d’illustrer une telle possibilité, les inventeurs ont mis en œuvre le principe de fonctionnement d’un tel procédé de surveillance d’un espace de mesure pour une contamination à l’hydrogène, au dioxyde de carbone et au méthane à partir des mesures présentées dans le cadre des figures 3, 4 et 5. Ainsi, à partir de ces mesures, il a été possible de montrer le résultat d’un tel procédé dans le cadre d’introductions respectives de 1%, 2%, 3% et 4% d’hydrogène, de dioxyde de carbone et méthane dans l’espace de mesure 40 qui présente une atmosphère azoté.In order to illustrate such a possibility, the inventors have implemented the principle of operation of such a method for monitoring a measurement space for contamination with hydrogen, carbon dioxide and methane from the measurements presented within the framework of figures 3, 4 and 5. Thus, from these measurements, it was possible to show the result of such a process within the framework of respective introductions of 1%, 2%, 3% and 4% hydrogen, carbon dioxide and methane in the measurement space 40 which has a nitrogenous atmosphere.
Pour chaque quantité de gaz contaminant, sur la base des résultats illustrés sur les figures 3, 4 et 5, les valeurs d’atténuation de la première onde ultrasonore sont celles correspondant aux ondes ultrasonores dont la fréquence est égale à 2 MHz, et celles de la deuxième onde ultrasonore sont celles correspondant aux ondes ultrasonores dont la fréquence est égale à 3,6 MHz. La première fréquence est ainsi 2 MHz et la deuxième fréquence est 3,6 Mhz.For each quantity of contaminant gas, on the basis of the results illustrated in FIGS. 3, 4 and 5, the attenuation values of the first ultrasonic wave are those corresponding to ultrasonic waves whose frequency is equal to 2 MHz, and those of the second ultrasonic wave are those corresponding to ultrasonic waves whose frequency is equal to 3.6 MHz. The first frequency is thus 2 MHz and the second frequency is 3.6 MHz.
A partir de ces valeurs d’atténuation, les inventeurs ont pu déterminer pour chaque quantité de gaz contaminant :
- un premier signe de la valeur d’atténuation à la première fréquence (autrement dit, si la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn(f1) à la première fréquence augmente ou diminue lors de l’introduction du gaz contaminant), et
- un deuxième signe de la différence Δαn(f2)- Δαn(f1) entre la valeur d’atténuation (ici la variation du coefficient d’atténuation normalisé en fréquence Δαn) déterminée pour la deuxième fréquence et pour la première fréquence.From these attenuation values, the inventors were able to determine for each quantity of contaminant gas:
- a first sign of the attenuation value at the first frequency (in other words, if the normalized attenuation variation in frequency Δα n (f1) at the first frequency increases or decreases during the introduction of the contaminant gas), and
- A second sign of the difference Δα n (f2)-Δα n (f1) between the attenuation value (here the variation of the normalized frequency attenuation coefficient Δα n ) determined for the second frequency and for the first frequency.
Comme indiqué précédemment, les signes attendus pour chacun des trois gaz contaminants ont été déterminés à partir de la figure 6, à savoir :
- un premier et un deuxième signe positifs pour l’hydrogène,
- un premier signe positif et un deuxième signe négatif pour le dioxyde de carbone,
- un premier et un deuxième signe négatifs pour le méthane.As indicated previously, the expected signs for each of the three contaminant gases were determined from Figure 6, namely:
- a first and a second positive sign for hydrogen,
- a first positive sign and a second negative sign for carbon dioxide,
- a first and a second negative sign for methane.
De la même façon, sur la base du tableau 1, il a été défini pour chacun des gaz contaminants la fréquence adaptée pour déterminer la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant, ici la proportion de gaz dans l’espace de mesure 40. Ainsi pour l’hydrogène, il s’agit de la troisième fréquence qui est 4,1 MHz et pour le méthane, il s’agit de la deuxième fréquence 3,6 MHz et pour le dioxyde de carbone il s’agit de la première fréquence qui est 2 MHz.In the same way, on the basis of Table 1, the appropriate frequency has been defined for each of the contaminant gases to determine the characteristic value of the presence of said contaminant gas, here the proportion of gas in the measurement space 40. Thus for hydrogen it is the third frequency which is 4.1 MHz and for methane it is the second frequency 3.6 MHz and for carbon dioxide it is the first frequency which is 2 MHz.
On notera que dans la cadre de l’invention, qu’il aurait parfaitement été envisageable d’utiliser une fréquence inférieure à 2 MHz afin de favoriser la sensibilité au dioxyde de carbone et au méthane.It will be noted that in the context of the invention, it would have been perfectly possible to use a frequency lower than 2 MHz in order to promote sensitivity to carbon dioxide and methane.
On peut voir qu’en appliquant le procédé selon cette possibilité compatible avec l’invention, chacun des gaz contaminants a bien été identifié et les proportions déterminées sont proches des valeurs attendues montrant le bon fonctionnement du procédé.It can be seen that by applying the process according to this possibility compatible with the invention, each of the contaminating gases has indeed been identified and the proportions determined are close to the expected values showing the correct operation of the process.
Bien entendu, une telle mise en œuvre du procédé d’identification n’est fournie qu’à titre d’exemple de cette possibilité compatible avec l’invention et est donc nullement limitative. Ainsi, il est envisageable, sans que l’on sorte du cadre de l’invention, d’utiliser plus de deux fréquences d’onde ultrasonore afin de déterminer les paramètres d’atténuation permettant de discriminer la nature du gaz contaminant, ou encore d’utiliser d’autres types de variations que celles décrites ci-dessus (notamment utiliser une valeur d’atténuation ou de différence d’atténuation (voire de différence de variation d’atténuation) en tant que telle plutôt que des signes tels qu’utilisés dans le tableau 2).Of course, such an implementation of the identification method is only provided as an example of this possibility compatible with the invention and is therefore in no way limiting. Thus, it is possible, without departing from the scope of the invention, to use more than two ultrasonic wave frequencies in order to determine the attenuation parameters making it possible to discriminate the nature of the contaminant gas, or even to 'use other types of variations than those described above (including using an attenuation value or attenuation difference (or even attenuation variation difference) as such rather than signs as used in Table 2).
On notera aussi, qu’il est parfaitement envisageable, sur la base du présent enseignement et à partir d’algorithmes du type apprentissage profond (plus connu sous sa dénomination anglaise « deep learning »), de pouvoir identifier un nombre important de gaz contaminants susceptibles de contaminer, et même des contaminations simultanées par plusieurs gaz contaminants.It will also be noted that it is perfectly possible, on the basis of the present teaching and using algorithms of the deep learning type (better known by its English name "deep learning"), to be able to identify a large number of contaminating gases likely to contaminate, and even simultaneous contamination by several contaminating gases.
De plus, si le présent document se concentre sur l’identification d’un gaz contaminant dans un milieu gazeux à surveiller et sur la détermination de la quantité dudit gaz se trouvant dans ce même milieu gazeux, dans le cadre de la mise en œuvre pratique d’un tel dispositif de détection et d’identification d’une contamination, l’unité de traitement 30 peut être configurée pour détecter une telle contamination ou une suspicion de contamination à partir de la détection d’une variation d’atténuation d’au moins une onde ultrasonore, telle que la première et la deuxième onde ultrasonore. Selon cette possibilité, une partie, ou la totalité, des étapes de d’identification du gaz contaminant peuvent être mises en œuvre uniquement dans le cas de la détection d’une telle contamination ou d’une suspicion de contamination du milieu gazeux à surveiller (la mise en œuvre de ces étapes n’étant pas nécessaire dans le cas où il n’y aurait pas de contamination). De la même façon, certaines des étapes de la détection d’une contamination ou d’une suspicion de contamination peuvent être communes avec celle de l’identification du gaz contaminant à l’origine de cette contamination (notamment celles concernant l’émission de la première et de la deuxième onde ultrasonore et de la mesure des premier et deuxième signaux caractéristiques).Additionally, while this document focuses on identifying a contaminant gas in a gaseous medium to be monitored and determining the amount of said gas in that same gaseous medium, as part of the practical implementation of such a contamination detection and identification device, the processing unit 30 can be configured to detect such contamination or a suspicion of contamination from the detection of an attenuation variation of at least least one ultrasonic wave, such as the first and the second ultrasonic wave. According to this possibility, some, or all, of the steps for identifying the contaminating gas can be implemented only in the case of the detection of such contamination or of a suspicion of contamination of the gaseous medium to be monitored ( the implementation of these steps not being necessary in the event that there is no contamination). Similarly, some of the steps for detecting contamination or suspected contamination may be common with that for identifying the contaminant gas at the origin of this contamination (in particular those concerning the emission of first and the second ultrasonic wave and the measurement of the first and second characteristic signals).
Comme montré ci-dessus, le principe de mesure découvert par les inventeurs basé sur la variation de l’atténuation des ondes ultrasonores avec la fréquence de l’onde ultrasonore et en fonction de la composition de l’atmosphère se trouvant dans l’espace de mesure 40 est particulièrement fiable. Afin de démontrer la fiabilité apportée par l’invention et montrer la reproductivité d’une telle valeur d’atténuation, ceci conformément à ce qui est montré sur la figure 7, les inventeurs ont reproduit une mesure de variation d’atténuation ΔαGazdans le cadre d’une introduction d’hydrogène conforme à la mesure montrée sur la figure 3 une première fois avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 37 µm, comme le montre la courbe 151, avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 27 µm, la courbe 152, et une deuxième fois avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 27 µm, courbe 153. On peut voir que ces courbes se superposent et montrent donc la fiabilité de cette mesure que ce soit dans le cadre de l’invention ou de la possibilité compatible avec l’invention. Une telle fiabilité est parfaitement compatible avec le domaine de la sécurisation des bâtiments et des travailleurs dans lequel s’inscrit l’invention.As shown above, the principle of measurement discovered by the inventors based on the variation of the attenuation of the ultrasonic waves with the frequency of the ultrasonic wave and according to the composition of the atmosphere located in the space of measure 40 is particularly reliable. In order to demonstrate the reliability provided by the invention and show the reproducibility of such an attenuation value, this in accordance with what is shown in FIG. 7, the inventors have reproduced a measurement of attenuation variation Δα Gas in the framework of an introduction of hydrogen in accordance with the measurement shown in FIG. 3 a first time with an ultrasonic emitter having a surface of 27 μm by 37 μm, as shown by curve 151, with an ultrasonic emitter having a surface of 27 µm by 27 µm, curve 152, and a second time with an ultrasound emitter having a surface of 27 µm by 27 µm, curve 153. It can be seen that these curves overlap and therefore show the reliability of this extent whether within the scope of the invention or of the possibility compatible with the invention. Such reliability is perfectly compatible with the field of securing buildings and workers in which the invention falls.
On notera de plus que dans le présent mode de réalisation, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 présentent une configuration dans laquelle ils sont en regard l’un de l’autre afin de définir l’espace de mesure 40. Bien entendu d’autres configurations sont envisageables sans que l’on sorte du cadre de l’invention, tant que dans ces configurations, l’agencement de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 permet de définir l’espace de mesure 40. On notera en particulier, qu’il est envisageable d’utiliser une ou plusieurs parois aptes à réfléchir les ondes ultrasonores afin d’utiliser des configurations autres.It will further be noted that in the present embodiment, the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 20 have a configuration in which they face each other in order to define the measurement space 40 Of course, other configurations can be envisaged without departing from the scope of the invention, as long as in these configurations, the arrangement of the ultrasonic transmitter 10 and of the ultrasonic receiver 20 makes it possible to define the measurement space 40. It will be noted in particular that it is possible to use one or more walls able to reflect ultrasonic waves in order to use other configurations.
Ainsi, selon une variante de l’invention et de la possibilité compatible avec l’invention, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 peuvent utiliser le ou les mêmes transducteurs à ultrasons en combinaison avec une paroi apte à réfléchir les ultrasons, les transducteurs à ultrasons permettant, dans le cadre de l’émetteur à ultrasons 10, d’émettre la ou les ondes à ultrasons 45 sous forme de trains d’onde, et permettant, après réflexion desdits trains d’onde par ladite paroi, de mesurer un signal caractéristique desdits trains d’onde. On notera que dans cette configuration, l’onde ultrasonore parcourt l’espace de mesure deux fois et présente donc, de ce fait, une atténuation double à laquelle s’ajoutent les pertes liées à la réflexion sur la paroi.Thus, according to a variant of the invention and of the possibility compatible with the invention, the ultrasonic transmitter 10 and the ultrasonic receiver 20 can use the same ultrasonic transducer(s) in combination with a wall capable of reflecting the ultrasound, the ultrasound transducers allowing, within the framework of the ultrasound transmitter 10, to emit the ultrasound wave(s) 45 in the form of wave trains, and allowing, after reflection of said wave trains by said wall , to measure a characteristic signal of said wave trains. It should be noted that in this configuration, the ultrasonic wave traverses the measurement space twice and therefore presents, as a result, a double attenuation to which are added the losses related to the reflection on the wall.
De même, selon une autre variante similaire basée sur l’utilisation d’une paroi réfléchissante, les transducteurs de chacun de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 peuvent être disposés sur un même support. Ici aussi, avec une telle configuration, l’onde ultrasonore parcourt l’espace de mesure deux fois et présente donc, de ce fait, une atténuation double à laquelle s’ajoutent les pertes liées à la réflexion sur la paroi.Similarly, according to another similar variant based on the use of a reflecting wall, the transducers of each of the ultrasonic transmitter 10 and of the ultrasonic receiver 20 can be arranged on the same support. Here too, with such a configuration, the ultrasonic wave travels the measurement space twice and therefore presents, as a result, a double attenuation to which are added the losses related to the reflection on the wall.
Claims (10)
- au moins un émetteur d’ultrasons (10) pour émettre au moins une première onde ultrasonore à une première fréquence et au moins une deuxième onde ultrasonore à une deuxième fréquence, la première et la deuxième fréquences étant distinctes l’une de l’autre,
- au moins un récepteur à ultrasons (20) pour fournir au moins un premier et un deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons (10) et le récepteur à ultrasons (20) étant agencés de manière à définir un espace de mesure (40) et à ce qu’une onde ultrasonore (45) émise par l’émetteur d’ultrasons (10) soit reçue par le récepteur à ultrasons (20) après être passée par l’espace de mesure (40),
- une unité de traitement (30) apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons (20),
Le dispositif de détection et d’identification étant caractérisé en ce que l’unité de traitement est configurée pour calculer au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, et pour identifier le gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.Device for detecting and identifying (1) contamination of a gaseous medium by at least one contaminant gas, the detection and identification device (1) comprising:
- at least one ultrasonic transmitter (10) for transmitting at least a first ultrasonic wave at a first frequency and at least a second ultrasonic wave at a second frequency, the first and the second frequencies being separate from each other ,
- at least one ultrasonic receiver (20) for supplying at least a first and a second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and of the second ultrasonic wave, the ultrasonic transmitter (10) and the ultrasonic receiver (20 ) being arranged so as to define a measurement space (40) and such that an ultrasonic wave (45) emitted by the ultrasonic transmitter (10) is received by the ultrasonic receiver (20) after having passed through the measurement space (40),
- a processing unit (30) able to determine a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver (20),
The detection and identification device being characterized in that the processing unit is configured to calculate at least one characteristic value of the change in attenuation between the first and the second attenuation value, and to identify the gas contaminant based on the characteristic value of the attenuation evolution and at least one of the first and the second attenuation value.
l’au moins un récepteur à ultrasons (20) étant configuré pour fournir au moins un troisième signal caractéristique de respectivement la troisième onde ultrasonore, et
dans lequel la fréquence adaptée est une fréquence parmi au moins la première à la troisième fréquence ultrasonore.Detection and identification device (1) according to claim 3, in which the at least one ultrasonic transmitter (10) is configured to emit at least a third ultrasonic wave at a third frequency distinct from the first and the second frequency,
the at least one ultrasonic receiver (20) being configured to supply at least one third characteristic signal of respectively the third ultrasonic wave, and
wherein the matched frequency is one of at least the first to the third ultrasonic frequency.
et dans lequel la valeur caractéristique de l’évolution est une différence de valeurs d’atténuation normalisée entre la première et la deuxième valeur d’atténuation.Detection and identification device (1) according to any one of claims 1 to 5, in which each of the first and of the second attenuation value is a frequency normalized attenuation value,
and wherein the characteristic value of the evolution is a normalized attenuation value difference between the first and the second attenuation value.
- au moins un émetteur d’ultrasons (10) pour émettre au moins une première onde ultrasonore à une première fréquence et au moins une deuxième onde ultrasonore à une deuxième fréquence, la première et la deuxième fréquences étant distinctes l’une de l’autre,
- au moins un récepteur à ultrasons (20) pour fournir au moins un premier et un deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons (10) et le récepteur à ultrasons (20) étant agencés de manière à définir un espace de mesure (40) et à ce qu’une onde ultrasonore (45) émise par l’émetteur d’ultrasons (10) soit reçue par le récepteur à ultrasons (20) après être passée par l’espace de mesure (40),
- une unité de traitement (30) apte à déterminer une première et une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons (20),
Le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission de la première et de la deuxième onde ultrasonore (45) par l’émetteur d’ultrasons (10),
- fourniture, par le récepteur à ultrasons (20) lors de la réception de de la première et de la deuxième onde ultrasonore, du premier et du deuxième signal caractéristique de respectivement la première onde ultrasonore et de la deuxième onde ultrasonore,
- détermination par l’unité de traitement (30) d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation à partir de respectivement le premier et le deuxième signal caractéristique fournis par le récepteur à ultrasons (20),
- calcul par l’unité de traitement (30) d’au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation,
- identification par l’unité de traitement (30) d’au moins un gaz contaminant, ladite identification étant réalisée sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation.Method for detecting and identifying contamination of a gaseous medium by a contaminant gas from a detection and identification device (1), the detection and identification device (1), comprising:
- at least one ultrasonic transmitter (10) for transmitting at least a first ultrasonic wave at a first frequency and at least a second ultrasonic wave at a second frequency, the first and the second frequencies being separate from each other ,
- at least one ultrasonic receiver (20) for supplying at least a first and a second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and of the second ultrasonic wave, the ultrasonic transmitter (10) and the ultrasonic receiver (20 ) being arranged so as to define a measurement space (40) and such that an ultrasonic wave (45) emitted by the ultrasonic transmitter (10) is received by the ultrasonic receiver (20) after having passed through the measurement space (40),
- a processing unit (30) able to determine a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver (20),
The process comprising the following steps:
- emission of the first and the second ultrasonic wave (45) by the ultrasonic transmitter (10),
- supply, by the ultrasonic receiver (20) when receiving the first and the second ultrasonic wave, of the first and the second signal characteristic of respectively the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave,
- determination by the processing unit (30) of a first and a second attenuation value from respectively the first and the second characteristic signal supplied by the ultrasonic receiver (20),
- calculation by the processing unit (30) of at least one characteristic value of the change in attenuation between the first and the second attenuation value,
- identification by the processing unit (30) of at least one contaminant gas, said identification being carried out on the basis of the characteristic value of the attenuation evolution and of at least one of the first and the second attenuation value.
-détermination par l’unité de traitement (30) et à partir de la première et/ou deuxième valeur d’atténuation d’une quantité dudit gaz contaminant identifié.Method for detecting and identifying contamination according to claim 9, in which there is further provided a step of:
-determination by the processing unit (30) and from the first and/or second attenuation value of a quantity of said identified contaminant gas.
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