FR3127041A1 - Sensor and method for measuring gas concentrations in a gas mixture. - Google Patents
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Abstract
Procédé (100) pour la mesure d’une concentration d’au moins un gaz dans un mélange gazeux en utilisant un dispositif (10) comprenant un tube à décharge (1), configuré pour recevoir le mélange gazeux et pour produire une décharge électrique, une pompe (5), configurée pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge (1), un capteur d’image (2) configuré pour acquérir une image multi-spectrale comprenant un nombre K d’images mono-spectrales du tube à décharge (1) pendant la décharge électrique, le nombre K étant supérieur ou égal à 3, une unité de pilotage et de traitement configurée pour piloter le fonctionnement du dispositif (10) et pour traiter l’image acquise par le capteur d’image (2) et déterminer une concentration de l’au moins un gaz dans le mélange de gaz à partir d’une partie de l’image du tube à décharge (1). Figure 1Method (100) for measuring a concentration of at least one gas in a gaseous mixture using a device (10) comprising a discharge tube (1), configured to receive the gaseous mixture and to produce an electric discharge, a pump (5), configured to obtain the determined pressure in the discharge tube (1), an image sensor (2) configured to acquire a multi-spectral image comprising a number K of mono-spectral images of the tube to discharge (1) during the electric discharge, the number K being greater than or equal to 3, a control and processing unit configured to control the operation of the device (10) and to process the image acquired by the image sensor ( 2) and determining a concentration of the at least one gas in the gas mixture from a part of the image of the discharge tube (1). Figure 1
Description
La présente invention concerne le domaine des capteurs de mesure de la concentration d’un gaz dans un mélange gazeux, et en particulier un capteur optique basé sur l’utilisation d’un tube à décharge sous basse pression.The present invention relates to the field of sensors for measuring the concentration of a gas in a gas mixture, and in particular an optical sensor based on the use of a low pressure discharge tube.
Les gaz sont largement présents dans beaucoup d’activités industrielles (chimique, pétrochimique, agroalimentaire) ainsi que l’environnement et la sécurité des lieux publics. Le besoin de détecter un ou plusieurs gaz est actuellement une demande courante. Parmi ces besoins, on peut, par exemple, citer le secteur automobile qui génère une quantité importante de pollution en milieu urbain. La nécessité d’une mesure précise de ses concentrations est même une contrainte de plus en plus sévère des normes européennes. On peut citer le CO, NO, NO2, NH4, SO2, CO2, CH4et divers hydrocarbures qui menacent sensiblement la santé et la qualité de la vie humaine.Gases are widely present in many industrial activities (chemical, petrochemical, food-processing) as well as the environment and the safety of public places. The need to detect one or more gases is currently a common request. Among these needs, we can, for example, cite the automotive sector which generates a significant amount of pollution in urban areas. The need for precise measurement of its concentrations is even an increasingly severe constraint of European standards. Mention may be made of CO, NO, NO 2 , NH 4 , SO 2 , CO 2 , CH 4 and various hydrocarbons which significantly threaten human health and the quality of life.
L’analyse des émissions gazeuses du secteur automobile s’effectuent actuellement dans des laboratoires suffisamment équipés en dispositifs chers, parfois volumineux et dont chacun est dédié pour un gaz spécifique. En plus, plusieurs principes physiques sont mis en jeu pour accomplir l’ensemble de ces mesures. Il devient de plus en plus important d’essayer avec un seul principe physique de pouvoir mesurer en faible cout et petite taille les concentrations de plusieurs gaz dans un seul mélange.The analysis of gaseous emissions in the automotive sector is currently carried out in laboratories sufficiently equipped with expensive, sometimes bulky devices, each of which is dedicated to a specific gas. In addition, several physical principles are brought into play to accomplish all of these measurements. It is becoming more and more important to try with a single physical principle to be able to measure in low cost and small size the concentrations of several gases in a single mixture.
Les technologies de détection de gaz sont variées, en raison des nombreux effets physiques et chimiques qui reflètent les caractéristiques du gaz. Les mesures peuvent être directes ou indirectes.Gas detection technologies are varied, due to the many physical and chemical effects that reflect the characteristics of the gas. Measurements can be direct or indirect.
Les mesures directes regroupent les chromatographes et spectromètres, les spectroscopes submillimétriques et l’utilisation d’un spectromètre micro-onde à cavité résonante pour déterminer la concentration en oxyde d’éthylène par exemple. Ils ont de bonnes limites de détection et des temps de réponse rapides, mais ils sont relativement encombrants et coûteux. Les méthodes optiques dans la détection des gaz sont nombreuses comme l’ellipsométrie, l’interférométrie et la résonance plasmonique de surface (SPR). Les capteurs de gaz à base de fibres optiques, commandés à distance, ont une immunité électromagnétique qui leur permet de travailler dans un environnement bruité, et ils sont largement utilisés avec des gaz inflammables.Direct measurements include chromatographs and spectrometers, submillimeter spectroscopes and the use of a resonant cavity microwave spectrometer to determine the concentration of ethylene oxide, for example. They have good detection limits and fast response times, but they are relatively bulky and expensive. Optical methods in the detection of gases are numerous such as ellipsometry, interferometry and surface plasmon resonance (SPR). Fiber optic-based, remote-controlled gas sensors have electromagnetic immunity that allows them to work in a noisy environment, and they are widely used with flammable gases.
Les mesures indirectes par transducteurs sont généralement basées sur l’utilisation d’un matériau sensible ; les capteurs de gaz les plus courants sont résonants ou piézoélectriques, chimiques, ou à effet de champ. Les capteurs de gaz en polymères conducteurs sont généralement à base d'oxydes métalliques (comme SnO2, TiO2, etc.) et sont utilisés pour la détection de gaz de pétrole, et d'humidité, et ont montré une bonne sélectivité et sensibilité. La mesure des concentrations par capteur à ultrasons détecte les changements dans l'atténuation des ondes ultrasonores. Quelques capteurs résonants micro-ondes et prototypes de capteurs nanométriques à base de transistors à nanotubes de carbone CNT ont également été réalisés. Les capteurs de gaz CNT peuvent être classés en type chimique et physique. Les CNT de type chimique réagissent en fonction de la conductivité et de la permittivité due à l'adsorption de gaz. Les CNT de type physique utilisent la technique d'ionisation du gaz sous une tension élevée.Indirect measurements by transducers are generally based on the use of a sensitive material; the most common gas sensors are resonant or piezoelectric, chemical, or field effect. Gas sensors made of conductive polymers are generally based on metal oxides (such as SnO 2 , TiO 2 , etc.) and are used for the detection of petroleum gases, and humidity, and have shown good selectivity and sensitivity . Ultrasonic sensor concentration measurement detects changes in the attenuation of ultrasonic waves. A few microwave resonant sensors and prototype nanoscale sensors based on CNT carbon nanotube transistors have also been produced. CNT gas sensors can be classified into chemical and physical type. Chemical-type CNTs react based on conductivity and permittivity due to gas adsorption. Physical type CNTs use the technique of ionizing gas under high voltage.
Les technologies de détection de gaz mentionnées ci-dessus sont généralement utilisées dans des domaines spécifiques et aucune technologie ne convient à toutes les applications. Une technologie de détection de gaz pourrait constituer la meilleure solution pour une application donnée, mais ne constituerait pas nécessairement la solution optimale dans de nombreuses autres applications. Cela dépend des exigences et des attentes de l'utilisateur, notamment en termes de précision, de fiabilité, de durée de vie et surtout de prix.The gas detection technologies mentioned above are generally used in specific fields and no one technology is suitable for all applications. A gas detection technology might be the best solution for a given application, but might not necessarily be the optimal solution in many other applications. It depends on the requirements and expectations of the user, especially in terms of precision, reliability, service life and above all price.
L’invention a donc pour but de proposer une solution à tout ou partie de ces problèmes, notamment une solution polyvalente adaptée aux différentes applications.The object of the invention is therefore to propose a solution to all or part of these problems, in particular a general-purpose solution adapted to the various applications.
A cet effet, la présente invention concerne un procédé pour la mesure d’une concentration d’au moins un gaz dans un mélange gazeux en utilisant un dispositif, le dispositif comprenant :
- un tube à décharge, configuré pour recevoir le mélange gazeux par une voie d’entrée et pour produire une décharge électrique après ionisation des gaz du mélange gazeux lorsqu’une pression à l’intérieur du tube atteint une pression déterminée et lorsqu’une tension appliquée entre les extrémités du tube est supérieure à une tension déterminée ;
- une pompe, configurée pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge;
- un capteur d’image configuré pour acquérir une image multi-spectrale comprenant un nombre K d’images mono-spectrales du tube à décharge pendant que la décharge électrique est produite, une bande spectrale d’acquisition d’une image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales étant différente d’une autre bande spectrale d’acquisition d’une autre image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales, le nombre K étant supérieur ou égal à 3;
- une unité de pilotage et de traitement configurée pour piloter le fonctionnement du dispositif et pour traiter l’image acquise par le capteur d’image et déterminer une concentration de l’au moins un gaz dans le mélange de gaz à partir d’une partie de l’image du tube à décharge;
le procédé comprenant les étapes suivantes:
- définir sur le logiciel de pilotage et de traitement un ensemble de paramètres,
- aspirer le mélange gazeux dans le tube à décharge,
- fermer la voie d’entrée du mélange gazeux dans le tube à décharge,
- créer une dépression dans le tube à décharge avec la pompe,
- appliquer la tension déterminée aux extrémités du tube à décharge,
- augmenter la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge jusqu’à ce que la décharge électrique se forme à l’intérieur du tube à décharge
- acquérir l’image multi-spectrale du tube à décharge pendant que la décharge électrique est produite
- déterminer si une zone de l’image est saturée, la zone étant de forme tubulaire et centrée autour d’une projection dans l’image d’un axe du tube à décharge,
- continuer à augmenter la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge jusqu’à ce que la zone soit saturée,
- déterminer la concentration de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux sur la base de la valeur d’au moins un pixel dans chaque image mono-spectrale de l’image multi-spectrale acquise lorsque la zone est déterminée saturée, l’au moins un pixel étant sélectionné à l’extérieur de la zone saturée.To this end, the present invention relates to a method for measuring a concentration of at least one gas in a gas mixture using a device, the device comprising:
- a discharge tube, configured to receive the gaseous mixture through an inlet channel and to produce an electric discharge after ionization of the gases of the gaseous mixture when a pressure inside the tube reaches a determined pressure and when a voltage applied between the ends of the tube is greater than a determined voltage;
- a pump, configured to obtain the determined pressure in the discharge tube;
- an image sensor configured to acquire a multi-spectral image comprising a number K of mono-spectral images of the discharge tube while the electric discharge is produced, a spectral band of acquisition of a mono-spectral image among the K mono-spectral images being different from another spectral acquisition band of another mono-spectral image among the K mono-spectral images, the number K being greater than or equal to 3;
- a control and processing unit configured to control the operation of the device and to process the image acquired by the image sensor and to determine a concentration of the at least one gas in the gas mixture from a part from the image of the discharge tube;
the method comprising the following steps:
- define a set of parameters on the control and processing software,
- draw the gas mixture into the discharge tube,
- close the gas mixture inlet to the discharge tube,
- create a depression in the discharge tube with the pump,
- apply the determined voltage to the ends of the discharge tube,
- increase the voltage applied to the ends of the discharge tube until the electric discharge forms inside the discharge tube
- acquire the multi-spectral image of the discharge tube while the electric discharge is produced
- determine if an area of the image is saturated, the area being of tubular shape and centered around a projection in the image of an axis of the discharge tube,
- continue to increase the voltage applied to the ends of the discharge tube until the zone is saturated,
- determining the concentration of the at least one gas in the gas mixture on the basis of the value of at least one pixel in each mono-spectral image of the multi-spectral image acquired when the area is determined to be saturated, the at least one pixel being selected outside the saturated zone.
Selon ces dispositions des mesures ont pu être réalisées sur des mélanges gazeux comprenant jusqu’à 5 gaz.According to these provisions, measurements have been made on gas mixtures comprising up to 5 gases.
Selon un mode de mise en œuvre, l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison techniquement acceptable.According to one mode of implementation, the invention comprises one or more of the following characteristics, alone or in a technically acceptable combination.
Selon un mode de mise en œuvre, le dispositif comprend en outre un module d’élimination d’un gaz inflammable présent dans le mélange gazeux, le module d’élimination comprenant :
- une pompe du module d’élimination, configurée pour introduire le mélange gazeux dans le module d’élimination, via une valve d’introduction du module d’élimination, une autre valve de sortie du module d’élimination assurant une communication fluidique du module d’élimination avec le tube à décharge du dispositif lorsqu’elle est ouverte,
- un capteur de détection du gaz inflammable configuré pour détecter le gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- un absorbeur configuré pour absorber le gaz inflammable,
le procédé comprenant en outre les étapes suivantes avant l’étape d’aspiration du mélange gazeux dans le tube à décharge:
- aspirer le mélange gazeux dans le module d’élimination, avec la pompe du module d’élimination, la valve d’introduction dudit module d’élimination étant ouverte, l’autre valve de sortie du module d’élimination étant fermée;
- mesurer la concentration de gaz inflammable dans le mélange gazeux avec le capteur de détection du gaz inflammable,
- absorber le gaz inflammable avec l’absorbeur,
- vérifier l’absence du gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est toujours présent dans le mélange, reconduire le mélange gazeux vers l’absorbeur,
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est éliminé du mélange, ouvrir l’autre valve du module d’élimination pour conduire le mélange résultant vers le tube à décharge.According to one mode of implementation, the device further comprises a module for eliminating a flammable gas present in the gas mixture, the elimination module comprising:
- a pump of the elimination module, configured to introduce the gaseous mixture into the elimination module, via an introduction valve of the elimination module, another outlet valve of the elimination module providing fluid communication of the module disposal with the discharge tube of the device when open,
- a flammable gas detection sensor configured to detect flammable gas in the gas mixture,
- an absorber configured to absorb the flammable gas,
the method further comprising the following steps before the step of sucking the gaseous mixture into the discharge tube:
- sucking the gaseous mixture into the elimination module, with the pump of the elimination module, the introduction valve of said elimination module being open, the other outlet valve of the elimination module being closed;
- measure the concentration of flammable gas in the gas mixture with the flammable gas detection sensor,
- absorb the flammable gas with the absorber,
- check the absence of flammable gas in the gas mixture,
- if the verification determines that the flammable gas is still present in the mixture, lead the gas mixture back to the absorber,
- if the verification determines that the flammable gas is eliminated from the mixture, open the other valve of the elimination module to lead the resulting mixture to the discharge tube.
Selon un mode de mise en œuvre, le gaz inflammable est de l’oxygène O2 According to one mode of implementation, the flammable gas is oxygen O 2
Selon un mode de mise en œuvre, le nombre K d’images mono-spectrales dans une image multi-spectrale acquise par le capteur d’image est égal à 3, et dans lequel la bande spectrale d’acquisition des 3 images est centrée respectivement sur la longueur d’onde de la couleur rouge, sur la longueur d’onde de la couleur bleu, et sur la longueur d’onde de la couleur verte.According to one mode of implementation, the number K of mono-spectral images in a multi-spectral image acquired by the image sensor is equal to 3, and in which the spectral acquisition band of the 3 images is centered respectively on the wavelength of the color red, on the wavelength of the color blue, and on the wavelength of the color green.
Selon un mode de mise en œuvre, l’ensemble de paramètres définis à l’étape de définition comprend au moins l’un parmi : la tension déterminée, la pression déterminée, une identification des signatures de références des gaz du mélange gazeux selon une base des bandes spectrales d’acquisition du capteur d’image, une sélection d’une autre base générée à partir des signatures de référence des gaz du mélange gazeux, une conversion des signatures de référence des gaz du mélange gazeux dans la base choisie, une génération de la palette de couleurs.According to one mode of implementation, the set of parameters defined in the definition step comprises at least one of: the determined voltage, the determined pressure, an identification of the reference signatures of the gases of the gaseous mixture according to a base spectral acquisition bands of the image sensor, a selection of another base generated from the reference signatures of the gases of the gaseous mixture, a conversion of the reference signatures of the gases of the gaseous mixture into the chosen base, a generation of the color palette.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape d’aspiration du mélange gazeux dans le tube à décharge est réalisée, sans la pompe, par l’effet d’une différence de pression entre une pression à l’intérieur du tube à décharge (1) et une pression dans la voie d’entrée du mélange de gaz.According to one mode of implementation, the step of sucking the gaseous mixture into the discharge tube is carried out, without the pump, by the effect of a pressure difference between a pressure inside the discharge tube (1) and a pressure in the inlet channel of the gas mixture.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape d’aspiration du mélange de gaz est réalisée avec la pompe.According to one mode of implementation, the gas mixture suction step is carried out with the pump.
Selon un mode de mise en œuvre, dans l’étape de détermination des concentrations de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux, la concentration de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux est déterminée sur la base d’une moyenne, dans chaque image monospectrale, de la valeur d’une pluralité de pixels sélectionnés à l’extérieur de la zone saturée.According to one mode of implementation, in the step of determining the concentrations of the at least one gas in the gas mixture, the concentration of the at least one gas in the gas mixture is determined on the basis of an average , in each monospectral image, of the value of a plurality of selected pixels outside the saturated zone.
Selon un mode de mise en œuvre, l’étape de détermination des concentrations de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux comprend la résolution d’un système d’équations à n inconnues, où n est un nombre de gaz dans le mélange gazeux.According to one mode of implementation, the step of determining the concentrations of the at least one gas in the gaseous mixture comprises the resolution of a system of equations with n unknowns, where n is a number of gases in the mixture gaseous.
Selon un mode de mise en œuvre, lorsque K est égal à 3, les équations sont définies comme suit :According to one mode of implementation, when K is equal to 3, the equations are defined as follows:
Où :Or :
-
-
-
Selon un mode de mise en œuvre, la bande spectrale Color1 correspond à la couleur rouge, la bande spectrale Color2 correspond à la couleur verte, la bande spectrale Color3 correspond à la couleur bleue.According to one mode of implementation, the spectral band Color1 corresponds to the color red, the spectral band Color2 corresponds to the color green, the spectral band Color3 corresponds to the color blue.
Selon un mode de mise en œuvre, lorsque K est supérieur à 3, les équations sont définies comme suit :According to one mode of implementation, when K is greater than 3, the equations are defined as follows:
Selon un mode de mise en œuvre, la résolution du système d’équations à n inconnues comprend l’utilisation d’un algorithme d’optimisation de type génétique.According to one mode of implementation, the resolution of the system of equations with n unknowns comprises the use of a genetic type optimization algorithm.
Selon un mode de mise en œuvre, la résolution du système d’équation exclu certaines solutions déterminées à partir des gaz présents dans le mélange gazeux.According to one mode of implementation, the resolution of the system of equations excludes certain solutions determined from the gases present in the gaseous mixture.
Selon ces dispositions la précision de la détermination des pourcentages est améliorée.According to these provisions, the precision of the determination of the percentages is improved.
Selon un mode de mise en œuvre, la valeur des pixels de chaque image monospectrale de l’image multispectrale est codée sur un nombre de bits déterminé.According to one mode of implementation, the value of the pixels of each monospectral image of the multispectral image is coded on a determined number of bits.
Selon un mode de mise en œuvre le nombre de bits déterminé est compris entre 8 bits et 18 bits, de préférence égal à 14 bits.According to one mode of implementation, the determined number of bits is between 8 bits and 18 bits, preferably equal to 14 bits.
Selon ces dispositions la précision de la détermination des pourcentages est encore améliorée.According to these provisions, the precision of the determination of the percentages is further improved.
L’invention concerne également un dispositif pour la mesure d’une concentration d’un gaz dans un mélange gazeux, le dispositif comprenant :
- un tube à décharge, configuré pour recevoir, par une voie d’entrée dans le tube à décharge, le mélange gazeux et pour produire une décharge électrique après ionisation des gaz du mélange lorsqu’une pression à l’intérieur du tube atteint une pression déterminée et lorsqu’une tension appliquée entre les extrémités du tube est supérieure à une tension déterminée ;
- une pompe, configurée pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge en aspirant le gaz présent dans le tube à décharge par une voie de sortie du tube à décharge;
- un capteur d’image configuré pour acquérir une image multi-spectrale comprenant un nombre K d’images mono-spectrales du tube à décharge pendant que la décharge électrique est produite, une bande spectrale d’acquisition d’une image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales étant différente d’une autre bande spectrale d’acquisition d’une autre image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales, le nombre K étant supérieur ou égal à 3;
- une unité de pilotage et de traitement configurée pour piloter un fonctionnement du dispositif de manière à mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’un des modes de mise en œuvre décrit ci-avant.
The invention also relates to a device for measuring a concentration of a gas in a gas mixture, the device comprising:
- a discharge tube, configured to receive, via an inlet in the discharge tube, the gaseous mixture and to produce an electric discharge after ionization of the gases of the mixture when a pressure inside the tube reaches a pressure determined and when a voltage applied between the ends of the tube is greater than a determined voltage;
- a pump, configured to obtain the determined pressure in the discharge tube by sucking the gas present in the discharge tube through an outlet passage of the discharge tube;
- an image sensor configured to acquire a multi-spectral image comprising a number K of mono-spectral images of the discharge tube while the electric discharge is produced, a spectral band of acquisition of a mono-spectral image among the K mono-spectral images being different from another spectral acquisition band of another mono-spectral image among the K mono-spectral images, the number K being greater than or equal to 3;
- A control and processing unit configured to control an operation of the device so as to implement the steps of the method according to one of the modes of implementation described above.
Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison techniquement acceptable.According to one embodiment, the device according to the invention comprises one or more of the following characteristics, alone or in a technically acceptable combination.
Selon un mode de réalisation, la voie d’entrée et la voie de sortie ont une portion commune débouchant dans le tube à décharge, le dispositif comprenant une valve à trois voies configurée pour permettre l’arrivée du mélange gazeux dans le tube à décharge via la portion commune, ou l’aspiration du mélange gazeux à l’extérieur du tube à décharge via la portion commune pour obtenir la pression déterminée.According to one embodiment, the inlet channel and the outlet channel have a common portion opening into the discharge tube, the device comprising a three-way valve configured to allow the arrival of the gaseous mixture into the discharge tube via the common portion, or sucking the gas mixture outside the discharge tube via the common portion to obtain the determined pressure.
Selon un mode de réalisation, la voie d’entrée et la voie de sortie sont séparées, la voie d’entrée étant munie d’une valve d’entrée, et la voie de sortie étant munie d’une valve de sortie la pompe étant configurée pour aspirer le mélange dans le tube à décharge par la voie d’entrée lorsque la valve d’entrée est ouverte, puis pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge lorsque la valve d’entrée est fermée, la valve de sortie étant fermée lorsque la pression déterminée est atteinte.According to one embodiment, the inlet channel and the outlet channel are separated, the inlet channel being provided with an inlet valve, and the outlet channel being provided with an outlet valve, the pump being configured to draw the mixture into the discharge tube through the inlet port when the inlet valve is open, and then to obtain the determined pressure in the discharge tube when the inlet valve is closed, the outlet valve being closed when the set pressure is reached.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un module d’élimination en communication fluidique via une valve intermédiaire avec la voie d’entrée du tube à décharge, le module d’élimination comprenant :
- une pompe du module d’élimination, configurée pour introduire le mélange gazeux dans le module d’élimination, via une valve d’introduction du module d’élimination configurée pour ouvrir ou fermer un conduit d’entrée du mélange gazeux dans le module d’élimination, une autre valve de sortie du module d’élimination assurant une communication fluidique du module d’élimination avec le tube à décharge du dispositif lorsqu’elle est ouverte,
- un capteur de détection du gaz inflammable configuré pour détecter le gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- le conduit d’entrée, configuré pour amener le mélange gazeux jusqu’au capteur de détection du gaz inflammable lorsque la valve d’introduction du module d’élimination est ouverte;
- un absorbeur en communication fluidique avec le conduit d’entrée, l’absorbeur étant configuré pour éliminer du mélange gazeux le gaz inflammable détecté par le capteur de détection,
- la valve de sortie du module d’élimination étant configurée pour être ouverte lorsque le capteur de détection indique que le gaz inflammable a été éliminé du mélange gazeux,
- une pompe du module complémentaire configurée pour faire circuler le mélange gazeux dans le module d’élimination jusqu’à ce que le gaz inflammable soit éliminé du mélange gazeux,
dans lequel l’unité de pilotage et de traitement est configurée pour piloter un fonctionnement du dispositif de manière à mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’un des modes de mise en œuvre décrit ci-avant.According to one embodiment, the device further comprises an elimination module in fluid communication via an intermediate valve with the inlet port of the discharge tube, the elimination module comprising:
- a pump of the elimination module, configured to introduce the gaseous mixture into the elimination module, via an introduction valve of the elimination module configured to open or close an inlet conduit of the gaseous mixture in the elimination module disposal, another outlet valve of the disposal module ensuring fluid communication of the disposal module with the discharge tube of the device when it is open,
- a flammable gas detection sensor configured to detect flammable gas in the gas mixture,
- the inlet duct, configured to bring the gaseous mixture to the flammable gas detection sensor when the introduction valve of the elimination module is open;
- an absorber in fluid communication with the inlet duct, the absorber being configured to eliminate from the gaseous mixture the flammable gas detected by the detection sensor,
- the outlet valve of the elimination module being configured to be open when the detection sensor indicates that the flammable gas has been eliminated from the gas mixture,
- a pump of the complementary module configured to circulate the gaseous mixture in the elimination module until the flammable gas is eliminated from the gaseous mixture,
in which the control and processing unit is configured to control an operation of the device so as to implement the steps of the method according to one of the modes of implementation described above.
Selon ces dispositions, le mélange gazeux est débarrassé d’un éventuel gaz inflammable, par exemple de l’oxygène O2, avant d’être envoyé dans le tube à décharge.According to these provisions, the gaseous mixture is freed of any flammable gas, for example oxygen O 2 , before being sent into the discharge tube.
Selon un mode de réalisation, une longueur du tube à décharge est comprise entre 25 et 40 mm.According to one embodiment, a length of the discharge tube is between 25 and 40 mm.
Selon un mode de réalisation, un diamètre du tube à décharge est compris entre 4 et 10 mm.According to one embodiment, a diameter of the discharge tube is between 4 and 10 mm.
Selon un mode de réalisation, une longueur et un diamètre du tube à décharge sont respectivement égal à 25mm et 10 mm.According to one embodiment, a length and a diameter of the discharge tube are respectively equal to 25mm and 10mm.
Selon ces dispositions, la géométrie du tube de décharge à gaz 1 contribue de manière significative à réduire l'erreur de mesure des concentrations et permet d’obtenir respectivement une tension et une pression de fonctionnement plus facile à gérer, et une meilleure homogénéité des couleurs.According to these provisions, the geometry of the gas discharge tube 1 contributes significantly to reducing the error in measuring the concentrations and makes it possible to obtain respectively an operating voltage and pressure that are easier to manage, and better color homogeneity. .
Pour sa bonne compréhension, un mode de réalisation et/ou de mise en oeuvre de l’invention est décrit en référence aux dessins ci-annexés représentant, à titre d’exemple non limitatif, une forme de réalisation ou de mise en œuvre respectivement d’un dispositif et/ou d’un procédé selon l’invention. Les mêmes références sur les dessins désignent des éléments similaires ou des éléments dont les fonctions sont similaires.For its good understanding, an embodiment and / or implementation of the invention is described with reference to the attached drawings representing, by way of non-limiting example, an embodiment or implementation respectively of a device and/or a method according to the invention. The same references in the drawings designate similar elements or elements whose functions are similar.
Le tube à décharge 1 du dispositif 10 selon l’invention fonctionne selon un principe connu en physique. Il s’agit de produire une lumière par ionisation d’un gaz sous haute tension et faible pression. Nous avons démontré qu’un mélange gazeux émet dans un tube à décharge un mixage de couleurs propres à chaque gaz ; la couleur finale produite par ce mixage est proportionnelle aux concentrations des différents gaz du mélange.The discharge tube 1 of the device 10 according to the invention operates according to a principle known in physics. This involves producing light by ionizing a gas under high voltage and low pressure. We have demonstrated that a gaseous mixture emits in a discharge tube a mixture of colors specific to each gas; the final color produced by this mixing is proportional to the concentrations of the different gases in the mixture.
Le dispositif 10 selon l’invention est capable de mesurer la concentration de plusieurs gaz dans un mélange et de détecter de faibles concentrations, mesurées en partie par million (ppm), tout en étant d’un volume faible et économe en énergie. Il est adapté pour de nombreuses applications industrielles.The device 10 according to the invention is capable of measuring the concentration of several gases in a mixture and of detecting low concentrations, measured in parts per million (ppm), while being of low volume and energy efficient. It is suitable for many industrial applications.
En référence à la
- un tube à décharge 1 configuré pour être rempli avec le mélange de gaz, par exemple en utilisant une des voies d’une valve 4 à trois voies ; dans ce mode particulier le mélange gazeux est aspiré à l’intérieur du tube à décharge tant qu’une pression à l’intérieur du tube à décharge 1 est inférieure à la pression à l’extérieur du tube à décharge 1.- a discharge tube 1 configured to be filled with the gas mixture, for example by using one of the channels of a three-way valve 4; in this particular mode the gas mixture is sucked inside the discharge tube as long as a pressure inside the discharge tube 1 is lower than the pressure outside the discharge tube 1.
- une pompe 5 configurée pour aspirer, par exemple via une autre voie de ladite valve 4 à trois voies, le mélange des gaz à l’intérieur du tube à décharge 1 jusqu’à ce que la pression soit suffisamment basse dans le tube à décharge pour que la décharge électrique ait lieu dans le tube à décharge 1 lorsqu’une tension, par exemple de 700 V, est appliquée entre les électrodes du tube à décharge 1 ;- a pump 5 configured to suck, for example via another channel of said three-way valve 4, the mixture of gases inside the discharge tube 1 until the pressure is sufficiently low in the discharge tube so that the electric discharge takes place in the discharge tube 1 when a voltage, for example 700 V, is applied between the electrodes of the discharge tube 1;
- un capteur d’image 2 configuré pour acquérir une image de la décharge électrique ;- an image sensor 2 configured to acquire an image of the electric discharge;
- une unité de traitement 3, par exemple un ordinateur portable ou une tablette ou un téléphone intelligent, configurée pour les pixels non saturés de l’image acquise, et pour calculer les concentrations des gaz.- a processing unit 3, for example a laptop computer or a tablet or a smart phone, configured for the unsaturated pixels of the acquired image, and for calculating the gas concentrations.
Selon un autre mode de réalisation du dispositif 10 illustré sur la
Plusieurs facteurs sont pris en compte lors de la conception du capteur selon l’invention : la sélectivité, la limite de détection, la sensibilité, la miniaturisation, le temps de réponse et le coût global.Several factors are taken into account when designing the sensor according to the invention: selectivity, detection limit, sensitivity, miniaturization, response time and overall cost.
Ce capteur multi-gaz très sélectif et de faible volume est capable de mesurer la concentration de plusieurs gaz simultanément en appliquant un principe unique au lieu d'utiliser plusieurs capteurs mono-gaz, ce qui contribue grandement à réduire le coût global, i.e. coût de fabrication et de coût de fonctionnement, du capteur.This highly selective, low-volume multi-gas sensor is able to measure the concentration of multiple gases simultaneously by applying a single principle instead of using multiple single-gas sensors, which greatly contributes to reducing the overall cost, i.e. cost of manufacturing and operating cost of the sensor.
Les gaz sont piégés dans le tube de décharge à gaz 1 puis ionisés à une pression et une tension appropriées déterminées selon la loi de Paschen. L'ionisation d'un gaz entraîne l'émission de lumière dont la couleur dépend du type de gaz ionisé. Cette couleur représente l'empreinte digitale du gaz, autrement dit son identité. Le principe utilisé est que la couleur résultant de l'ionisation d'un mélange gazeux est en fait un mélange de la couleur de référence, i.e. empreinte digitale, de chaque gaz du mélange, chaque couleur de référence étant pondérée en fonction de la concentration du gaz à l’origine de ladite couleur de référence.The gases are trapped in the gas discharge tube 1 and then ionized at an appropriate pressure and voltage determined according to Paschen's law. The ionization of a gas leads to the emission of light whose color depends on the type of gas ionized. This color represents the fingerprint of the gas, in other words its identity. The principle used is that the color resulting from the ionization of a gaseous mixture is in fact a mixture of the reference color, i.e. fingerprint, of each gas in the mixture, each reference color being weighted according to the concentration of the gas at the origin of said reference color.
Lorsque plusieurs sources lumineuses sont mélangées, leurs distributions spectrales s'ajoutent et, par conséquent, leurs intensités s'ajoutent également. Ainsi, considérons un mélange de n gaz, dépressurisés dans un tube de décharge à gaz 1, dans lequel la différence de tension entre les électrodes est suffisamment élevée pour ioniser le mélange et émettre des photons. En notant
L'intensité émise
Où :Or :
-
-
Ainsi en combinant les formules Math 1 et Math 2, on obtient le spectre total du mélange gazeux, selon la relation suivante:Thus, by combining the formulas Math 1 and Math 2, we obtain the total spectrum of the gaseous mixture, according to the following relationship:
Le principe du capteur selon l’invention repose sur la mesure de la couleur émise par un tube à décharge à gaz 1, après ionisation, à l'aide d'un traitement d'une image numérique acquise par le capteur d'imagerie 2.The principle of the sensor according to the invention is based on the measurement of the color emitted by a gas discharge tube 1, after ionization, using a processing of a digital image acquired by the imaging sensor 2.
Selon un mode de réalisation, le capteur d’image 2 est trichromatique, configuré pour acquérir selon trois couleurs de base, par exemple les trois couleurs primaires rouge, vert et bleu, comme cela est représenté sur la figure 4a.According to one embodiment, the image sensor 2 is trichromatic, configured to acquire according to three basic colors, for example the three primary colors red, green and blue, as shown in FIG. 4a.
Selon un autre mode de réalisation, le capteur d’imagerie est un capteur dit multi-spectral, i.e. configuré pour acquérir selon plus de trois couleurs de base, par exemple 6, voire 12 couleurs de base, comme cela est représenté respectivement sur la figure 4b et sur la figure 4c.According to another embodiment, the imaging sensor is a so-called multi-spectral sensor, i.e. configured to acquire according to more than three basic colors, for example 6, or even 12 basic colors, as represented respectively in the figure 4b and in Figure 4c.
Selon la théorie des couleurs, l’intensité
Selon une base à 3 couleurs, le capteur comprend, pour chaque point d’image, ou pixel, trois canaux respectivement rouge, vert et bleu, désignés ci-dessous respectivement par Red, Green, et Blue, qui donnent des valeurs intégrées décrivant le spectre à trois bandes de longueur d'onde entrelacées. Une image est composée de plusieurs pixels, et la réponse de chaque pixel respectivement dans le canal Red, Green, Blue, s’exprime selon les formules suivantes :According to a 3-color basis, the sensor comprises, for each image point, or pixel, three channels respectively red, green and blue, designated below respectively by Red, Green, and Blue, which give integrated values describing the spectrum with three interlaced wavelength bands. An image is composed of several pixels, and the response of each pixel respectively in the Red, Green, Blue channel, is expressed according to the following formulas:
où
En combinant les formules Math 3 et Math 7, on obtient :By combining the formulas Math 3 and Math 7, we obtain:
La même logique s'applique pour les canaux : Rouge i.e. Red, vert, i.e. Green, et bleu, i.e. Blue ; on obtient ainsi les trois formules suivantes :The same logic applies for the channels: Red i.e. Red, green, i.e. Green, and blue, i.e. Blue; we thus obtain the following three formulas:
Où
La somme des concentrations ou pourcentages de tous les gaz dans le mélange, ou la somme des pressions partielles de chaque gaz doit être égale à un. Cette contrainte se formule avec l’équation suivante, à prendre en considération lors du calcul des pourcentages de gaz dans le mélange.The sum of the concentrations or percentages of all the gases in the mixture, or the sum of the partial pressures of each gas must equal one. This constraint is formulated with the following equation, to be taken into account when calculating the percentages of gas in the mixture.
Ainsi, nous avons un système de quatre équations à « n » inconnues, « n » étant le nombre de gaz dans le mélange. On en déduit que dans ce cas n=4.Thus, we have a system of four equations with “n” unknowns, “n” being the number of gases in the mixture. We deduce that in this case n=4.
En supposant que les composants du mélange gazeux soient connus au préalable, et que la signature d'un gaz i est
Où
A partir du système d'équations suivant :From the following system of equations:
Le système d’équations ci-dessus est un système linéaire d'équations de la forme
Dans le problème d'optimisation génétique sous contrainte, la fonction « objectif » à minimiser se formule comme suit :In the constrained genetic optimization problem, the “objective” function to be minimized is formulated as follows:
Avec la contrainte donnée par :With the constraint given by:
Les résultats obtenus en résolvant avec des algorithmes génétiques sont plus précis que ceux obtenus par la méthode des moindres carrés ; c’est la raison pour laquelle il a été privilégié par rapport à la méthode des moindres carrés.The results obtained by solving with genetic algorithms are more precise than those obtained by the method of least squares; this is the reason why it was favored over the least squares method.
Selon une base à plus de 3 couleurs, l’analyse est la même que la précédente. Cependant, on considère ici une base de K couleurs distinctes. Le nouveau système d’équations est obtenu en remplaçant celui de Math. 14 par :According to a base with more than 3 colors, the analysis is the same as the previous one. However, we consider here a basis of K distinct colors. The new system of equations is obtained by replacing that of Math. 14 by:
Dans ce cas, on en déduit que n=K+1.In this case, we deduce that n=K+1.
D’une manière similaire, et pour les mêmes raisons, un problème d’optimisation doit être construit remplaçant celui de Math. 15 et Math. 16 :In a similar way, and for the same reasons, an optimization problem must be constructed replacing the Math problem. 15 and Math. 16:
L’algorithme génétique est un algorithme de recherche basé sur les mécanismes de la sélection naturelle et de la génétique, et dont les étapes principales sont illustrées sur la
Les meilleurs individus de la population sont ceux qui ont une meilleure chance de se reproduire et de transmettre une partie de leur héritage génétique à la prochaine génération. Une nouvelle population est alors créée en combinant les gènes des parents au cours d’une étape de mutation 505. On s’attend à ce que certains individus de la nouvelle génération possèdent les meilleures caractéristiques de leurs deux parents, et donc qu’ils seront meilleurs et seront une meilleure solution au problème. La nouvelle génération est alors soumise aux même critères de sélection, au cours d’une étape de sélection 503, puis génère ses propres rejetons au cours d’une étape suivante de reproduction ou de croisement 504. Ce processus est répété plusieurs fois, jusqu’à ce que tous les individus possèdent le même héritage génétique. Les membres de cette dernière génération, qui sont habituellement très différents de leurs ancêtres, possèdent de l’information génétique qui correspond à la meilleure solution au problème.The best individuals in the population are those that have a better chance of reproducing and passing on some of their genetic heritage to the next generation. A new population is then created by combining the genes of the parents during a 505 mutation step. Some individuals of the new generation are expected to possess the best characteristics of both parents, and therefore will be better and will be a better solution to the problem. The new generation is then subjected to the same selection criteria, during a selection step 503, then generates its own offspring during a following step of reproduction or crossing 504. This process is repeated several times, until that all individuals have the same genetic heritage. The members of this last generation, who are usually very different from their ancestors, have genetic information that corresponds to the best solution to the problem.
L’algorithme génétique de base comporte trois opérations simples : – Sélection 504 – Reproduction 505 – Mutation 506.The basic genetic algorithm involves three simple operations: – Selection 504 – Reproduction 505 – Mutation 506.
L’algorithme se termine, après une étape d’évaluation 502, soit lorsqu’un nombre maximum d’itérations est atteint, soit lorsqu’une solution satisfaisante est atteinte au regard d’une fonction « objectif ».The algorithm ends, after an evaluation step 502, either when a maximum number of iterations is reached, or when a satisfactory solution is reached with regard to an “objective” function.
Selon un mode de réalisation du dispositif de cette invention, la forme du tube 1 est optimisée : une mise en forme géométrique appropriée du tube de décharge à gaz 1 contribue de manière significative à réduire l'erreur de mesure. En particulier, une optimisation de la longueur et du diamètre du tube de décharge à gaz 1 permet d’obtenir respectivement une tension et une pression de fonctionnement plus facile à gérer, et permet d’améliorer une homogénéité des couleurs à l'intérieur de la zone optimale ; ainsi, un raccourcissement de la longueur et une augmentation du diamètre permettent une meilleure homogénéité des couleurs à l'intérieur de la zone optimale. Le tableau 1 ci-dessous montre la variance des longueurs d’onde sur la zone choisie en fonction de la longueur et du diamètre du tube à décharge. Selon ce tableau, les dimensions optimales du tube à décharge sont : une longueur optimale de 25 mm, et un diamètre optimal de 10 mm.According to an embodiment of the device of this invention, the shape of the tube 1 is optimized: an appropriate geometric shaping of the gas discharge tube 1 contributes significantly to reducing the measurement error. In particular, an optimization of the length and the diameter of the gas discharge tube 1 makes it possible to respectively obtain a tension and an operating pressure that are easier to manage, and makes it possible to improve a homogeneity of the colors inside the optimal area; thus, a shortening of the length and an increase of the diameter allow a better homogeneity of the colors inside the optimal zone. Table 1 below shows the variance of the wavelengths over the chosen area as a function of the length and diameter of the discharge tube. According to this table, the optimal dimensions of the discharge tube are: an optimal length of 25 mm, and an optimal diameter of 10 mm.
[Tab.1]
En particulier, seuls une partie des pixels de l’image acquise par le capteur d’image 2 sont pris en compte pour le traitement et le calcul des concentrations : sont sélectionnés plus particulièrement pour le traitement les pixels de l’image qui ne sont pas saturés. En effet la décharge électrique produit une image dont une partie des pixels ZS, principalement au centre de l’image, sont saturés, comme cela est illustré sur la
Selon un mode de réalisation, La valeur de chaque pixel peut être codée sur un nombre de bits déterminés, le nombre étant compris, par exemple, entre 8 bits et 18 bits. Le tableau ci-dessous indique la précision obtenue sur les concentrations mesurées avec le dispositif selon l’invention en fonction du nombre de bits utilisés pour le codage des valeurs de chaque pixel.According to one embodiment, the value of each pixel can be coded on a determined number of bits, the number being comprised, for example, between 8 bits and 18 bits. The table below indicates the precision obtained on the concentrations measured with the device according to the invention as a function of the number of bits used for the coding of the values of each pixel.
[Tab. 2]
Plus particulièrement, lorsque la valeur de chaque pixel est codée sur 14 bits, la limite de détection du capteur est améliorée de manière à mesurer des concentrations gazeuses jusqu'à 50 ppm, et l'erreur moyenne totale de mesure est réduite à 1%.More particularly, when the value of each pixel is coded on 14 bits, the detection limit of the sensor is improved so as to measure gas concentrations up to 50 ppm, and the total average measurement error is reduced to 1%.
Selon un mode de réalisation, l’unité de traitement est configurée pour exclure de la palette des couleurs certaines solutions, déterminées par exemple à partir des gaz présents dans le mélange considéré. Par exemple, avec un mélange de trois gaz : le dioxyde de carbone CO2dont la signature est de couleur blanc tiré vers le bleu, l’oxygène O2dont la signature est de couleur violet lavande, et l’argon Ar, dont la signature est de couleur magenta, la
Lorsque le mélange gazeux contient des gaz inflammables il est particulièrement important de pouvoir éliminer le gaz comburant avant de créer la décharge électrique dans le tube à décharge 1 : pour cela, le dispositif comprend un module optionnel configuré pour mettre en œuvre les étapes suivantes :When the gas mixture contains flammable gases, it is particularly important to be able to eliminate the oxidizing gas before creating the electric discharge in the discharge tube 1: for this, the device comprises an optional module configured to implement the following steps:
- Le gaz comburant, par exemple le gaz O2, est mesuré par un capteur spécifique pour le gaz O2,The oxidizing gas, for example O 2 gas, is measured by a specific sensor for O 2 gas,
- Le gaz comburant est éliminé par un absorbeur, jusqu’à ce que la proportion de comburant présent dans le mélange ne soit plus dangereuse,The oxidizing gas is eliminated by an absorber, until the proportion of oxidizing present in the mixture is no longer dangerous,
- Lorsque la proportion de comburant présent dans le mélange a été suffisamment réduite pour ne plus être dangereuse, le mélange résultant est envoyé vers le tube à décharge du dispositif selon l’invention.When the proportion of oxidant present in the mixture has been sufficiently reduced to no longer be dangerous, the resulting mixture is sent to the discharge tube of the device according to the invention.
Ainsi, le procédé de mise en œuvre du dispositif selon l’invention comprend :Thus, the method for implementing the device according to the invention comprises:
- un mode simple pour les mélanges de gaz sans gaz inflammable,- a simple mode for gas mixtures without flammable gas,
- un mode hybride pour les mélanges de gaz avec gaz inflammable, notamment avec de l’oxygène O2.- a hybrid mode for gas mixtures with flammable gas, in particular with oxygen O 2 .
Les étapes du procédé dans le mode simple sont les suivantes :The steps of the process in the simple mode are as follows:
- définir 101 sur le logiciel de pilotage et de traitement un ensemble de paramètres,
- aspirer 102 le mélange gazeux dans le tube à décharge 1,
- fermer 103 la voie d’entrée du mélange gazeux dans le tube à décharge 1,
- créer 104 une dépression dans le tube à décharge 1 avec la pompe 5,
- appliquer 105 la tension déterminée aux extrémités du tube à décharge 1,
- augmenter 106 la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge 1 jusqu’à ce que la décharge électrique se forme à l’intérieur du tube à décharge,
- déterminer 108 si une zone ZS de l’image est saturée, la zone ZS étant de forme tubulaire et centrée autour d’une projection dans l’image d’un axe du tube à décharge 1,
- continuer à augmenter 109 la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge 1 jusqu’à ce que la zone ZS soit saturée,
- déterminer 110 la concentration de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux sur la base de la couleur d’au moins un pixel de l’image, l’au moins un pixel étant à l’extérieur de la zone ZS saturée.- define 101 on the control and processing software a set of parameters,
- suck 102 the gaseous mixture into the discharge tube 1,
- close 103 the entry channel of the gaseous mixture into the discharge tube 1,
- create 104 a depression in the discharge tube 1 with the pump 5,
- apply 105 the voltage determined at the ends of the discharge tube 1,
- increase 106 the voltage applied to the ends of the discharge tube 1 until the electric discharge forms inside the discharge tube,
- determining 108 if a zone ZS of the image is saturated, the zone ZS being of tubular shape and centered around a projection in the image of an axis of the discharge tube 1,
- continue to increase 109 the voltage applied to the ends of the discharge tube 1 until the zone ZS is saturated,
- determining 110 the concentration of the at least one gas in the gaseous mixture on the basis of the color of at least one pixel of the image, the at least one pixel being outside the saturated zone ZS.
En particulier, l’ensemble de paramètres comprend au moins l’un parmi la tension minimum, la pression déterminée, une identification des signatures de références des gaz du mélange gazeux selon une base des bandes spectrales d’acquisition du capteur d’image, une sélection d’une autre base générée à partir des signatures de référence des gaz du mélange gazeux, une conversion des signatures de référence des gaz du mélange gazeux dans la base choisie, une génération de la palette de couleurs.In particular, the set of parameters comprises at least one of the minimum voltage, the determined pressure, an identification of the reference signatures of the gases of the gaseous mixture according to a base of the acquisition spectral bands of the image sensor, a selection of another base generated from the reference signatures of the gases of the gaseous mixture, a conversion of the reference signatures of the gases of the gaseous mixture into the chosen base, a generation of the color palette.
La détermination que la zone ZS de l’image est saturée comprend par exemple la détermination d’une proportion des pixels appartenant à la zone ZS dont la valeur dans l’image multi-spectrale acquise est saturée, i.e. est égale à une valeur maximum. Si cette proportion est supérieure à une proportion déterminée, la zone ZS est déclarée saturée.The determination that the ZS zone of the image is saturated includes for example the determination of a proportion of the pixels belonging to the ZS zone whose value in the acquired multi-spectral image is saturated, i.e. is equal to a maximum value. If this proportion is greater than a determined proportion, the ZS zone is declared saturated.
Pour la mise en œuvre du mode hybride, le dispositif 10 comprend en outre un module d’élimination 11 d’un gaz inflammable présent dans le mélange gazeux, le module d’élimination 11 comprenant :For the implementation of the hybrid mode, the device 10 further comprises a module 11 for eliminating a flammable gas present in the gas mixture, the elimination module 11 comprising:
- une pompe 9 du module d’élimination 11, configurée pour introduire le mélange gazeux dans le module d’élimination 11, via une valve d’introduction 4’’’ ouverte du module d’élimination 11, une autre valve 4’’ de sortie du module d’élimination 11 assurant une communication fluidique du module d’élimination 11 avec le tube à décharge 1 du dispositif 10 lorsqu’elle est ouverte,
- un capteur 7 de détection du gaz inflammable configuré pour détecter le gaz inflammable dans le mélange gazeux,- a pump 9 of the elimination module 11, configured to introduce the gaseous mixture into the elimination module 11, via an open introduction valve 4'' of the elimination module 11, another valve 4'' of outlet of the elimination module 11 ensuring fluid communication of the elimination module 11 with the discharge tube 1 of the device 10 when it is open,
- a flammable gas detection sensor 7 configured to detect flammable gas in the gas mixture,
- un absorbeur 8 configuré pour absorber le gaz inflammable.- an absorber 8 configured to absorb the flammable gas.
Dans le mode hybride, le procédé 100 comprend en outre les étapes suivantes avant l’étape d’aspiration 102 du mélange gazeux dans le tube à décharge 1:
- aspirer 1011 le mélange gazeux dans le module d’élimination 11, avec la pompe 9 du module d’élimination 11, la valve d’introduction 4’’’ dudit module d’élimination 11 étant ouverte, l’autre valve 4’’ de sortie du module d’élimination 11 étant fermée,In the hybrid mode, the method 100 further comprises the following steps before the step 102 of sucking the gaseous mixture into the discharge tube 1:
- suck 1011 the gaseous mixture into the elimination module 11, with the pump 9 of the elimination module 11, the introduction valve 4''' of said elimination module 11 being open, the other valve 4'' output of the elimination module 11 being closed,
- mesurer 1012 la concentration de gaz inflammable dans le mélange gazeux avec le capteur 7 de détection du gaz inflammable,
- absorber 1013 le gaz inflammable avec l’absorbeur 8,
- vérifier 1014 l’absence du gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est toujours présent dans le mélange, reconduire 1015 le mélange gazeux vers l’absorbeur 8,
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est éliminé du mélange, ouvrir 1016 l’autre valve 4’’ de sortie du module d’élimination 11 pour conduire le mélange résultant vers le tube à décharge 1.- measure 1012 the concentration of flammable gas in the gas mixture with the sensor 7 for detecting flammable gas,
- absorb 1013 the flammable gas with the absorber 8,
- check 1014 the absence of flammable gas in the gas mixture,
- if the check determines that the flammable gas is still present in the mixture, lead 1015 the gaseous mixture to the absorber 8,
- if the verification determines that the flammable gas is eliminated from the mixture, open 1016 the other valve 4'' at the outlet of the elimination module 11 to lead the resulting mixture to the discharge tube 1.
Selon un mode de mise en œuvre le gaz inflammable est de l’oxygène O2 According to one mode of implementation, the flammable gas is oxygen O 2
Les étapes du procédé dans le mode hybride sont les suivantes :The process steps in the hybrid mode are as follows:
- définir sur le logiciel de pilotage et de traitement des paramètres de la mesure : par exemple, tension, pression, identification des signatures selon la base RGB ou selon une autre base, sélection d’une base générée par les couleurs des gaz, conversion des signatures dans la base choisie, génération de la palette de couleurs,- define the measurement parameters on the control and processing software: for example, voltage, pressure, identification of signatures according to the RGB base or according to another base, selection of a base generated by the colors of the gases, conversion of the signatures in the chosen base, generation of the color palette,
- aspirer le mélange des gaz, avec une pompe 9 du module d’élimination 11 du gaz inflammable, par exemple O2, le mélange de gaz étant ainsi introduit, par une valve 4’’’ ouverte dudit module d’élimination 11, dans le module d’élimination 11, une autre valve 4’’assurant une communication fluidique du module d’élimination 11 avec le dispositif 10 étant fermée, selon les références de la
- mesurer la concentration de gaz inflammable dans le mélange, par exemple O2avec un capteur 7 spécifique pour le gaz inflammable,- measure the concentration of flammable gas in the mixture, for example O 2 with a sensor 7 specific for flammable gas,
- éliminer le gaz inflammable, par exemple O2,avec un absorbeur spécifique 8,- eliminate flammable gas, for example O 2, with a specific absorber 8,
- vérifier l’absence du gaz inflammable dans le mélange.- check that there is no flammable gas in the mixture.
- Si la vérification détermine que le gaz inflammable est toujours présent dans le mélange, le mélange est reconduit vers l’absorbeur.If the verification determines that the flammable gas is still present in the mixture, the mixture is returned to the absorber.
- Si la vérification détermine que le gaz inflammable est éliminé du mélange, le mélange résultant est reconduit vers le tube à décharge 1 du dispositif selon l’invention,If the verification determines that the flammable gas is eliminated from the mixture, the resulting mixture is returned to the discharge tube 1 of the device according to the invention,
- fermer toutes les valves 4, 4’ après aspiration du mélange résultant,- close all valves 4, 4' after suction of the resulting mixture,
- assurer la dépression par la pompe à vide 5 dans le tube à décharge 1,- ensure depression by the vacuum pump 5 in the discharge tube 1,
- appliquer la tension minimale, par exemple 300 Volts, aux extrémités du tube à décharge 1,- apply the minimum voltage, for example 300 Volts, to the ends of the discharge tube 1,
- monter en tension jusqu’à ce que la zone de saturation ZS dans le tube ait un diamètre minimum,- increase the voltage until the ZS saturation zone in the tube has a minimum diameter,
- capturer la couleur sur plusieurs pixels dans la zone de non saturation de l’image acquise par le capteur d’image 2,- capture the color over several pixels in the non-saturation zone of the image acquired by image sensor 2,
- envoi des données vers le logiciel de traitement,- sending data to the processing software,
- calculer les concentrations par le logiciel de traitement.- calculate the concentrations by the processing software.
Il convient à ce stade de définir un mode de fonctionnement particulier appelé détection profitant du potentiel de mesure des concentrations déjà détaillé plus haut. Il s’agit de détecter la présence d’un gaz précis (H2par exemple) dans un environnement quelconque multi-gaz dont les concentrations ne changent pas (Air par exemple). Le premier gaz est défini par son empreinte digitale. Le 2eme gaz est également défini par une seule empreinte digitale pour le mélange entier. Ainsi, le capteur travaille uniquement en mélange de deux gaz. Cette notation est très importante vu que le marché dans ce domaine fait une distinction entre capteur de concentrations et détecteur de fuite. La capteur d’image pouvant toujours être RGB ou multi-spectral, 8 bits ou supérieur.It is appropriate at this stage to define a particular mode of operation called detection taking advantage of the potential for measuring concentrations already detailed above. This involves detecting the presence of a specific gas (H 2 for example) in any multi-gas environment whose concentrations do not change (Air for example). The first gas is defined by its fingerprint. The 2nd gas is also defined by a single fingerprint for the entire mixture. Thus, the sensor only works with a mixture of two gases. This notation is very important since the market in this field makes a distinction between concentration sensor and leak detector. The image sensor can always be RGB or multi-spectral, 8-bit or higher.
Selon un mode particulier de réalisation du dispositif, l’ensemble est particulièrement compact et léger, avec par exemple un poids de 2,3 kg et des dimensions qui permettent au dispositif d’être logé dans un parallélépipède de dimension 30 mm x 15mm x 20 mm.According to a particular embodiment of the device, the assembly is particularly compact and light, with for example a weight of 2.3 kg and dimensions which allow the device to be housed in a parallelepiped of dimension 30 mm x 15 mm x 20 mm.
Des cartes électroniques, par exemple du type Arduino, permettent de réaliser l’acquisition de l’image et la mesure des concentrations de gaz.Electronic cards, for example of the Arduino type, are used to acquire the image and measure the gas concentrations.
Un logiciel de pilotage du dispositif permet de piloter le dispositif à partir de l’unité de traitement, par exemple sous un logiciel d’exploitation de type Android.A device piloting software makes it possible to pilot the device from the processing unit, for example under an operating software of the Android type.
Ledit logiciel de pilotage permet : l’initialisation des paramètres de mesures, la calibration des nouveaux gaz, la simulation théorique et la mesure des concentrations. L’unité de traitement et les autres composants du dispositif selon l’invention sont configurés pour communiquer sans fil, par exemple par des liaisons de type Bluetooth, wifi, et internet.Said control software allows: initialization of measurement parameters, calibration of new gases, theoretical simulation and measurement of concentrations. The processing unit and the other components of the device according to the invention are configured to communicate wirelessly, for example by links of the Bluetooth, wifi, and internet type.
Claims (14)
- un tube à décharge (1), configuré pour recevoir le mélange gazeux par une voie d’entrée et pour produire une décharge électrique après ionisation des gaz du mélange gazeux lorsqu’une pression à l’intérieur du tube atteint une pression déterminée et lorsqu’une tension appliquée entre les extrémités du tube est supérieure à une tension déterminée ;
- une pompe (5), configurée pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge (1) ;
- un capteur d’image (2) configuré pour acquérir une image multi-spectrale comprenant un nombre K d’images mono-spectrales du tube à décharge (1) pendant que la décharge électrique est produite, une bande spectrale d’acquisition d’une image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales étant différente d’une autre bande spectrale d’acquisition d’une autre image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales, le nombre K étant supérieur ou égal à 3;
- une unité de pilotage et de traitement configurée pour piloter le fonctionnement du dispositif (10) et pour traiter l’image acquise par le capteur d’image (2) et déterminer une concentration de l’au moins un gaz dans le mélange de gaz à partir d’une partie de l’image du tube à décharge (1) ;
le procédé comprenant les étapes suivantes :
- définir (101) sur l’unité de pilotage et de traitement un ensemble de paramètres,
- aspirer (102) le mélange gazeux dans le tube à décharge (1),
- fermer (103) la voie d’entrée du mélange gazeux dans le tube à décharge (1),
- créer (104) une dépression dans le tube à décharge (1) avec la pompe (5),
- appliquer (105) la tension déterminée aux extrémités du tube à décharge (1),
- augmenter (106) la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge (1) jusqu’à ce que la décharge électrique se forme à l’intérieur du tube à décharge
- acquérir (107) l’image multi-spectrale du tube à décharge (1) pendant que la décharge électrique est produite
- déterminer (108) si une zone (ZS) de l’image est saturée, la zone (ZS) étant de forme tubulaire et centrée autour d’une projection dans l’image d’un axe du tube à décharge (1),
- continuer à augmenter (109) la tension appliquée aux extrémités du tube à décharge (1) jusqu’à ce que la zone (ZS) soit saturée,
- déterminer (110) la concentration de l’au moins un gaz dans le mélange gazeux sur la base de la valeur d’au moins un pixel dans chaque image mono-spectrale de l’image multi-spectrale acquise lorsque la zone (ZS) est déterminée saturée, l’au moins un pixel étant sélectionné à l’extérieur de la zone (ZS) saturée.Method (100) for measuring a concentration of at least one gas in a gas mixture using a device (10), the device (10) comprising:
- a discharge tube (1), configured to receive the gaseous mixture through an inlet channel and to produce an electric discharge after ionization of the gases of the gaseous mixture when a pressure inside the tube reaches a determined pressure and when a voltage applied between the ends of the tube is greater than a determined voltage;
- a pump (5), configured to obtain the determined pressure in the discharge tube (1);
- an image sensor (2) configured to acquire a multi-spectral image comprising a number K of mono-spectral images of the discharge tube (1) while the electric discharge is produced, an acquisition spectral band of a mono-spectral image among the K mono-spectral images being different from another spectral acquisition band of another mono-spectral image among the K mono-spectral images, the number K being greater than or equal to 3;
- a control and processing unit configured to control the operation of the device (10) and to process the image acquired by the image sensor (2) and to determine a concentration of the at least one gas in the gas mixture from part of the image of the discharge tube (1);
the method comprising the following steps:
- defining (101) on the control and processing unit a set of parameters,
- sucking (102) the gaseous mixture into the discharge tube (1),
- closing (103) the inlet path of the gaseous mixture in the discharge tube (1),
- create (104) a depression in the discharge tube (1) with the pump (5),
- applying (105) the determined voltage to the ends of the discharge tube (1),
- increase (106) the voltage applied to the ends of the discharge tube (1) until the electric discharge forms inside the discharge tube
- acquiring (107) the multi-spectral image of the discharge tube (1) while the electric discharge is produced
- determining (108) whether a zone (ZS) of the image is saturated, the zone (ZS) being of tubular shape and centered around a projection in the image of an axis of the discharge tube (1),
- continue to increase (109) the voltage applied to the ends of the discharge tube (1) until the zone (ZS) is saturated,
- determining (110) the concentration of the at least one gas in the gaseous mixture on the basis of the value of at least one pixel in each mono-spectral image of the multi-spectral image acquired when the zone (ZS) is determined to be saturated, the at least one pixel being selected outside the saturated zone (ZS).
- une pompe (9) du module d’élimination (11), configurée pour introduire le mélange gazeux dans le module d’élimination (11), via une valve d’introduction (4’’’) du module d’élimination (11), une autre valve (4’’) de sortie du module d’élimination (11) assurant une communication fluidique du module d’élimination (11) avec le tube à décharge (1) du dispositif (10) lorsqu’elle est ouverte,
- un capteur (7) de détection du gaz inflammable configuré pour détecter le gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- un absorbeur (8) configuré pour absorber le gaz inflammable,
le procédé (100) comprenant en outre les étapes suivantes avant l’étape d’aspiration (102) du mélange gazeux dans le tube à décharge (1):
- aspirer (1011) le mélange gazeux dans le module d’élimination (11), avec la pompe (9) du module d’élimination (11), la valve d’introduction (4’’’) dudit module d’élimination (11) étant ouverte, l’autre valve de sortie (4’’) du module d’élimination (11) étant fermée;
- mesurer (1012) la concentration de gaz inflammable dans le mélange gazeux avec le capteur (7) de détection du gaz inflammable,
- absorber (1013) le gaz inflammable avec l’absorbeur (8),
- vérifier (1014) l’absence du gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est toujours présent dans le mélange, reconduire (1015) le mélange gazeux vers l’absorbeur (8),
- si la vérification détermine que le gaz inflammable est éliminé du mélange, ouvrir (1016) l’autre valve (4’’) du module d’élimination (11) pour conduire le mélange résultant vers le tube à décharge (1).Method (100) according to claim 1, in which the device (10) further comprises a module (11) for eliminating a flammable gas present in the gaseous mixture, the elimination module (11) comprising:
- a pump (9) of the elimination module (11), configured to introduce the gaseous mixture into the elimination module (11), via an introduction valve (4''') of the elimination module (11 ), another valve (4'') at the outlet of the elimination module (11) ensuring fluid communication of the elimination module (11) with the discharge tube (1) of the device (10) when it is open ,
- a flammable gas detection sensor (7) configured to detect flammable gas in the gas mixture,
- an absorber (8) configured to absorb the flammable gas,
the method (100) further comprising the following steps before the step of sucking (102) the gaseous mixture into the discharge tube (1):
- suck (1011) the gaseous mixture into the elimination module (11), with the pump (9) of the elimination module (11), the introduction valve (4''') of said elimination module ( 11) being open, the other outlet valve (4'') of the elimination module (11) being closed;
- measuring (1012) the concentration of flammable gas in the gas mixture with the flammable gas detection sensor (7),
- absorb (1013) the flammable gas with the absorber (8),
- check (1014) the absence of flammable gas in the gas mixture,
- if the verification determines that the flammable gas is still present in the mixture, returning (1015) the gaseous mixture to the absorber (8),
- if the verification determines that the flammable gas is eliminated from the mixture, opening (1016) the other valve (4'') of the elimination module (11) to lead the resulting mixture to the discharge tube (1).
Method (100) according to one of the preceding claims, in which the step of determining the concentrations of the at least one gas in the gaseous mixture comprises solving a system of equations with n unknowns, where n is a number of gases in the gas mixture.
- un tube à décharge (1), configuré pour recevoir, par une voie d’entrée dans le tube à décharge (1), le mélange gazeux et pour produire une décharge électrique après ionisation des gaz du mélange lorsqu’une pression à l’intérieur du tube atteint une pression déterminée et lorsqu’une tension appliquée entre les extrémités du tube est supérieure à une tension déterminée ;
- une pompe (5), configurée pour obtenir la pression déterminée dans le tube à décharge (1) en aspirant le gaz présent dans le tube à décharge par une voie de sortie du tube à décharge;
- un capteur d’image (2) configuré pour acquérir une image multi-spectrale comprenant un nombre K d’images mono-spectrales du tube à décharge (1) pendant que la décharge électrique est produite, une bande spectrale d’acquisition d’une image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales étant différente d’une autre bande spectrale d’acquisition d’une autre image mono-spectrale parmi les K images mono-spectrales, le nombre K étant supérieur ou égal à 3;
- une unité (3) de pilotage et de traitement configurée pour piloter un fonctionnement du dispositif de manière à mettre en œuvre les étapes du procédé 100 selon l’une des revendications 1 à 9.
Device (10) for measuring a concentration of a gas in a gas mixture, the device (10) comprising:
- a discharge tube (1), configured to receive, via an inlet in the discharge tube (1), the gaseous mixture and to produce an electric discharge after ionization of the gases of the mixture when a pressure at the inside the tube reaches a determined pressure and when a tension applied between the ends of the tube is greater than a determined tension;
- a pump (5), configured to obtain the determined pressure in the discharge tube (1) by sucking the gas present in the discharge tube through an outlet of the discharge tube;
- an image sensor (2) configured to acquire a multi-spectral image comprising a number K of mono-spectral images of the discharge tube (1) while the electric discharge is produced, an acquisition spectral band of a mono-spectral image among the K mono-spectral images being different from another spectral acquisition band of another mono-spectral image among the K mono-spectral images, the number K being greater than or equal to 3;
- a control and processing unit (3) configured to control an operation of the device so as to implement the steps of the method 100 according to one of claims 1 to 9.
- une pompe (9) du module d’élimination (11), configurée pour introduire le mélange gazeux dans le module d’élimination (11), via une valve d’introduction (4’’’) du module d’élimination (11) configurée pour ouvrir ou fermer un conduit d’entrée du mélange gazeux dans le module d’élimination (11), une autre valve (4’’) de sortie du module d’élimination (11) assurant une communication fluidique du module d’élimination (11) avec le tube à décharge (1) du dispositif (10) lorsqu’elle est ouverte,
- un capteur (7) de détection du gaz inflammable configuré pour détecter le gaz inflammable dans le mélange gazeux,
- le conduit d’entrée, configuré pour amener le mélange gazeux jusqu’au capteur de détection du gaz inflammable lorsque la valve d’introduction (4’’’) du module d’élimination (11) est ouverte;
- un absorbeur (8) en communication fluidique avec le conduit d’entrée, l’absorbeur (8) étant configuré pour éliminer du mélange gazeux le gaz inflammable détecté par le capteur de détection (7),
- la valve de sortie (4’’) du module d’élimination (11) étant configurée pour être ouverte lorsque le capteur de détection (7) indique que le gaz inflammable a été éliminé du mélange gazeux,
- une pompe du module complémentaire (9) configurée pour faire circuler le mélange gazeux dans le module d’élimination (11) jusqu’à ce que le gaz inflammable soit éliminé du mélange gazeux,
dans lequel l’unité (3) de pilotage et de traitement est configurée pour piloter un fonctionnement du dispositif de manière à mettre en œuvre les étapes du procédé 100 selon l’une des revendications 2 à 9.Device (10') according to the preceding claim, further comprising an elimination module (11) in fluid communication via an intermediate valve (4'') with the inlet port of the discharge tube 1, the elimination module (11) comprising:
- a pump (9) of the elimination module (11), configured to introduce the gaseous mixture into the elimination module (11), via an introduction valve (4''') of the elimination module (11 ) configured to open or close an inlet pipe for the gaseous mixture in the elimination module (11), another valve (4'') at the outlet of the elimination module (11) ensuring fluid communication of the elimination module disposal (11) with the discharge tube (1) of the device (10) when open,
- a flammable gas detection sensor (7) configured to detect flammable gas in the gas mixture,
- the inlet duct, configured to bring the gas mixture to the flammable gas detection sensor when the introduction valve (4''') of the elimination module (11) is open;
- an absorber (8) in fluid communication with the inlet duct, the absorber (8) being configured to eliminate from the gaseous mixture the flammable gas detected by the detection sensor (7),
- the outlet valve (4'') of the elimination module (11) being configured to be open when the detection sensor (7) indicates that the flammable gas has been eliminated from the gas mixture,
- a pump of the complementary module (9) configured to circulate the gaseous mixture in the elimination module (11) until the flammable gas is eliminated from the gaseous mixture,
in which the control and processing unit (3) is configured to control an operation of the device so as to implement the steps of the method 100 according to one of Claims 2 to 9.
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