FR3137757A3 - Dispositif et procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif pour estimer la masse d'un gaz sous pression, le dispositif comportant : une pluralité de récipients (1) de gaz,une canalisation (7) définissant une sortie (8), un dispositif de mesure de débit (4),une pluralité de vannes d’isolement (9),au moins un capteur de température ambiante (6),un premier capteur de pression du gaz (2) à l’intérieur de la canalisation (7) en amont du dispositif de mesure de débit (4) et en aval de la pluralité de vannes, un deuxième capteur de pression du gaz (3) à l’intérieur de la canalisation (7) en aval du dispositif de mesure de débit (4), une unité de calcul agencée pour recevoir les signaux de mesure du premier capteur de pression, du deuxième capteur de pression et de du capteur de température. Figure d’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention concerne un dispositif et un procédé d’estimation de la masse d'un gaz sous pression.
L’invention concerne un dispositif d’estimation de la masse d’un gaz dans un récipient, notamment mobile (remorque, cadre de bouteilles ou bouteilles), reposant sur une mesure de pression assortie de plusieurs compensations (température, inertie thermique, variations du volume) dans une configuration particulière permettant d’obtenir une précision élevée, en particulier pour la détection automatique de fuite.
L’alimentation d’installations industrielles à partir de récipients de gaz comprimé pose un problème de mesure des quantités fournies, ceci du fait que la grandeur généralement mesurée est la pression mais que cette grandeur n’est pas suffisante, c’est évidemment la masse de gaz et non la pression qui est la grandeur pertinente. En effet, la pression varie en fonction de la température et éventuellement du volume.
La masse (M) de gaz peut être calculée à partir de la loi des gaz réels : M = Mg x P x V / ( Z(P,V) x R x T). Dans cette formule : P, V, T sont respectivement la pression le volume et la température, R la constante des gaz parfaits, Z(P,T) le coefficient (ou facteur) de compressibilité (en général proche de 1, mais dépendant de P et T pour un gaz réel) et Mg la masse molaire du gaz.
Les paramètres Mg, R et Z(P,T) sont des paramètres physiques parfaitement connus pour un gaz donné et ce avec une précision suffisante.
En revanche la température est évidemment variable, et le volume n’est pas nécessairement parfaitement constant, car il peut dépendre de la pression et/ou de la température, comme c’est le cas pour les récipients réalisés en matériaux composites.
Si l’on souhaite atteindre une bonne précision pour l’évaluation de la masse (inférieure par exemple à 1%), la mesure de la température est indispensable. En effet, négliger les variations de température revient à accepter une erreur pouvant facilement atteindre 5% à 10%, ceci car le plus souvent le récipient est stocké à l’extérieur et subit des variations de température importantes.
Mais la mesure de T pose un problème pratique, car T est la température du gaz lui-même (ou plus précisément la température moyenne du gaz), et celle-ci n’est pas égale à la température ambiante, ceci du fait de l’inertie thermique du récipient et de son contenu. Or cette inertie ne peut être négligée dans le cas des fortes pressions, car d’une part les parois du récipient doivent être épaisses, donc massives et inertes, et d’autre part la capacité calorifique du gaz comprimé devient significative, donc son inertie thermique propre également.
Ce phénomène d’inertie est particulièrement important dans le cas de récipients composites, dont la conductivité thermique est nettement plus faible que celle de l’acier par exemple.
On voit donc qu’une estimation précise de la masse se heurte à deux difficultés :
- la mesure de la température moyenne du gaz
- le calcul du volume réel du récipient en fonction de la température et de la pression
Il est en revanche aisé de mesurer la pression avec précision, l’industrie fournissant de nombreuses solutions de capteurs adaptés à toutes les gammes de pressions et offrant une grande précision atteignant assez facilement 0.1%.
Le volume du récipient est généralement connu, mais en valeur nominale (pour des conditions P et T de référence), les variations du volume en fonction de la pression et de la température n’étant généralement pas documentées.
Enfin la connaissance du volume réellement utile est rendue difficile dans la mesure ou certains récipients sont en réalité constitués de plusieurs récipients reliés entre eux par une canalisation avec éventuellement une vanne d’isolement par récipient ou groupe de récipient.
L’état de ces vannes d’isolement joue évidemment sur le volume utile du gaz et il devient nécessaire de ne prendre en compte que ce volume utile pour la mesure des quantités de gaz fournies à une installation consommatrice.
L’évaluation d’une quantité de gaz consommée peut naturellement se faire à l’aide d’un débitmètre intégrateur dont il existe différents modèles reposants par exemple sur l’estimation du débit massique via une mesure thermique, par effet Coriolis ou plus simplement par pression différentielle.
Le problème de ces technologies est d’une part un coût relativement élevé et d’autre part la grande difficulté à conserver une précision suffisante sur une très large gamme de débits. Le débit de gaz entre le récipient et l’installation alimentée peut varier dans une dynamique considérable.
On a par exemple un débit très élevé pendant un temps très court lors de l’ouverture de la vanne située entre le récipient et l’installation (pressurisation) et par ailleurs un petit débit de fuite, qui peut être inférieur à un 1/10000 du précédent, tout en devant être considéré du fait de sa permanence.
On voit que conserver une bonne précision dans ces deux cas extrêmes est un véritable défi pour un débitmètre et aucun modèle industriel n’y parvient. S’agissant de la mesure d’une fuite, il est clair qu’une mesure de pression, avec compensation des effets de température, doit à moyen terme donner une indication beaucoup plus précise qu’une intégration numérique d’une valeur de débit entachée d’une erreur, même en apparence minime au regard du débit nominal. Ceci est d’autant plus vrai que la plupart des débitmètres présentent, pour des raisons technologiques, une erreur plus élevée à très bas débit.
Pour la mesure de pression, les récipients de gaz pressurisés sont assez largement équipés de manomètres mécaniques ou électroniques. Ces derniers sont dotés de jauges de pression avec dans certains cas une compensation de la température du gaz pour ramener la pression à une température de référence, ce qui au volume près, revient à établir une masse.
Le document WO 2015/063502 décrit un dispositif de mesure et affichage de l’autonomie dans lequel la température et l’inertie thermique sont prises en compte, le document ne précise par la méthode de prise en compte de cette inertie et ne considère pas la question du volume qui est implicitement supposé constant.
On trouve également des solutions de jauges de pression avec communication radioélectrique permettant la surveillance à distance de la pression, comme par exemple dans le document WO 2008/139081.
Dans la plupart des cas, les récipients sont réalisés en métal, acier ou parfois aluminium, et les variations de volume en fonction de la pression sont négligées. Avec l’introduction des récipients en matériaux composites, qui tendent à s’imposer pour les pressions élevées supérieures à 300 bar, l’hypothèse consistant à négliger les variations de volume ne peut plus être retenue si une précision élevée est recherchée.
Une correction du volume en fonction de la pression s’impose alors.
La présente invention vise à remédier efficacement à ces inconvénients en proposant un dispositif pour estimer la masse d'un gaz sous pression, le dispositif comportant :
- une pluralité de récipients de gaz sous pression,
- une canalisation définissant une sortie pour fournir le gaz à un consommateur, la canalisation étant apte à mettre en communication fluidique au moins un des récipients de la pluralité de récipients avec la sortie,
- un dispositif de mesure de débit, disposé dans la canalisation en amont de la sortie,
- une pluralité de vannes d’isolement, chaque vanne d’isolement étant agencée pour sélectivement isoler fluidiquement au moins un des récipients du dispositif de mesure de débit en étant dans une position fermée, ou les mettre en communication fluidique en étant dans une position ouverte,
- au moins un capteur de température ambiante,
- un premier capteur de pression du gaz à l’intérieur de la canalisation en amont du dispositif de mesure de débit et en aval de la pluralité de vannes,
- un deuxième capteur de pression du gaz à l’intérieur de la canalisation en aval du dispositif de mesure de débit,
- une unité de calcul agencée pour recevoir les signaux de mesure du premier capteur de pression, du deuxième capteur de pression et de du capteur de température ambiante et pour déterminer la masse du gaz disponible dans les récipients qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit.
Un tel dispositif permet d’estimer très précisément la masse de gaz disponible dans les récipients qui sont en communication fluidique avec la sortie qui délivre le gaz à un consommateur.
Selon une réalisation, le récipient est un réservoir composite, notamment en fibre de carbone et en résine.
Selon une réalisation, le récipient est agencé pour contenir de l’hydrogène gazeux pressurisé.
Selon une réalisation, le récipient est agencé pour contenir de l’hydrogène gazeux pressurisé dont la pression peut atteindre une valeur au moins égale à 250 bars.
Selon une réalisation, le dispositif de de mesure de débit comporte un dispositif de perte de charge tel qu’une une restriction et/ou un venturi et/ou un diaphragme.
En variante, le dispositif de mesure de débit comporte un débimètre tel qu’un débimètre thermique ou un débimètre à effet Coriolis.
Selon une réalisation, le deuxième capteur de pression est un capteur de pression absolue ou un capteur de pression différentielle.
Selon une réalisation, le premier capteur de pression est un capteur de pression absolue.
L’invention concerne en outre une procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression à l’aide d’un dispositif tel que décrit ci-dessus, le procédé comportant :
- une étape de détermination de la température moyenne (Tc) des récipients qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit, par convolution de la température ambiante (Te), en fonction d’un modèle thermique de comportement d’un des récipients et en fonction de la variation de la pression (P) mesurée par le premier capteur de pression,
- une étape de détermination du nombre (N) de récipients dont la vanne d’isolement est en position ouverte,
- une étape de détermination de la masse (M) du gaz disponible dans l’ensemble des récipients dont la vanne d’isolement est en position ouverte.
Selon une réalisation, l’étape de détermination du nombre (N) est réalisée à l’aide de la formule : N = N0 x ΔM(ΔP) / ΔM(P), N0 étant le nombre total de récipients, ΔM(ΔP) étant la masse de gaz déterminée par intégration du débit, ΔM(P) étant la masse de gaz déterminée par la variation de la pression mesurée par le premier capteur de pression.
Selon une réalisation, la détermination de ΔM(P) utilise la loi des gaz réels dans laquelle le volume de gaz est égal à la somme des volumes contenu dans tous les récipients. En d’autres termes, pour la détermination de ΔM(P), on fait l'hypothèse que toutes les vannes d’isolement sont dans la position ouverte.
Selon une réalisation, pour la détermination de ΔM(ΔP), le débit est calculé à partir de la pression mesurée par le premier capteur de pression et la pression mesurée par le deuxième capteur de pression.
Selon une réalisation, l’étape de détermination de la masse (M) est réalisée à partir de Z(P, Tg) et V(P, Tc, N), Z étant le facteur de compressibilité du gaz.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Ces figures ne sont données qu’à titre illustratif mais nullement limitatif de l’invention.
La représente un dispositif pour estimer la masse d'un gaz sous pression, le dispositif comportant :
- une pluralité de récipients 1 de gaz sous pression (plus précisément, deux récipients 1 dans l’exemple de la
- une canalisation 7 définissant une sortie 8 pour fournir le gaz à un consommateur, la canalisation 7 étant apte à mettre en communication fluidique au moins un des récipients 1 avec la sortie 8,
- un dispositif de mesure de débit 4, disposé dans la canalisation 7 en amont de la sortie 8,
- une pluralité de vannes d’isolement 9, chaque vanne d’isolement 9 étant agencée pour sélectivement isoler fluidiquement au moins un des récipients 1 du dispositif de mesure de débit 4 en étant dans une position fermée, ou les mettre en communication fluidique en étant dans une position ouverte,
- au moins un capteur de température ambiante 6,
- un premier capteur de pression du gaz 2 à l’intérieur de la canalisation 7 en amont du dispositif de mesure de débit 4 et en aval de la pluralité de vannes,
- un deuxième capteur de pression du gaz 3 à l’intérieur de la canalisation 7 en aval du dispositif de mesure de débit 4,
- une unité de calcul, notamment un microprocesseur (non représenté) agencé pour recevoir les signaux de mesure du premier capteur de pression 2, du deuxième capteur de pression 3 et de du capteur de température ambiante 6 et pour déterminer la masse du gaz disponible dans les récipients qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit 4.
En variante, le premier capteur et/ou le deuxième capteur est agencé sur la canalisation 7.
Le capteur de température 6 ambiante est agencé pour permettre une mesure de la température ambiante.
Le dispositif de mesure de débit comporte un dispositif de perte de charge 4 configuré pour créer une perte de charge prédéterminée en fonction du débit du gaz.
Le dispositif peut comporter une vanne d’arrêt 5, pour permettre au gaz de sortir par la sortie 8 ou bien d’empêcher le gaz de sortie par la sortie 8.
Le dispositif peut comporter un capteur tout ou rien pour indiquer l’état d’ouverture de la vanne d’arrêt 5.
Le dispositif peut comporter une unité de communication radiofréquence, utilisant par exemple la technologie RFID dans la bande 13.56 MHz, cette communication se faisant avantageusement à l’aide d’une mémoire à double accès, l’un électrique direct, l’autre RFID (l’avantage de cette configuration est d’éviter tout doute sur le récipient raccordé à l’installation, ce qui serait plus délicat en cas de liaison radioélectrique).
Une première antenne RFID reliée électriquement à la mémoire, et couplée électromagnétiquement à une seconde antenne RFID permettant la communication entre l’une unité de calcul et un lecteur RFID relié à l’installation consommatrice.
Le dispositif peut comporter une source d’énergie de type pile, accumulateur ou supercapacité, notamment pour l’alimentation de l’unité de calcul.
La source d’énergie peut être rechargée à partir d’un circuit de récupération dérivant de l’énergie de l’une des antennes.
Les 2 antennes RFID sont avantageusement disposées concentriquement avec les raccordement gaz l’une solidaire du récipient et l’autre de la canalisation reliée à l’installation utilisatrice (le consommateur), notamment un flexible.
La représente un procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression à l’aide du dispositif de la , le procédé comportant :
- une étape E1 de détermination de la température moyenne Tc des récipients 1 qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit 4, par convolution de la température ambiante Te, en fonction d’un modèle thermique de comportement d’un des récipients 1 et en fonction de la variation de la pression P mesurée par le premier capteur de pression 2,
- une étape E2 de détermination du nombre N de récipients 1 dont la vanne d’isolement 9 est en position ouverte,
- une étape E3 de détermination de la masse M du gaz disponible dans l’ensemble des récipients 1 dont la vanne d’isolement 9 est en position ouverte.
L’étape E2 de détermination du nombre N est réalisée à l’aide de la formule : N = N0 x ΔM(ΔP) / ΔM(P), N0 étant le nombre total de récipients 1, ΔM(ΔP) étant la masse de gaz déterminée par intégration du débit, ΔM(P) étant la masse de gaz déterminée par la variation de la pression mesurée par le premier capteur de pression.
On peut noter que pour déterminer ΔM(P), on utilise la loi des gaz réels dans laquelle le volume de gaz est égal à la somme des volumes contenu dans tous les récipients 1. En d’autres termes, pour la détermination de ΔM(P), on fait l'hypothèse que toutes les vannes d’isolement sont dans la position ouverte.
L’étape E3 de détermination de la masse M est réalisée à partir de Z (P, Tg) et V (P, Tc, N), Z étant le facteur de compressibilité du gaz.
La détermination du volume utile peut être rendue plus robuste et fiable en équipant chacune des vannes d’isolement d’un contact électrique dont la valeur peut être déterminée par l’unité de calcul.
Le modèle thermique de comportement du récipient, permettant de déterminer la température Tc du récipient 1 et la température estimée du gaz Tg qui est pratiquement une série de coefficients à appliquer à l’historique des températures, peut être déterminée par calcul et chargé par exemple par la liaison RFID.
Le modèle thermique peut être avantageusement déterminé automatiquement et sur la base d’une période suffisamment longue (par exemple de l’ordre de 12 à 24h maximum) pendant laquelle la vanne est en position fermée, et le récipient 1 sous pression de préférence nominale, la masse de gaz étant supposée constante.
Pour que la détermination du modèle thermique soit correcte, il est souhaitable de le faire pendant une période présentant des variations significatives de la température ambiante.
Le calcul des coefficients se fait par la méthode des moindres carrés et se ramène à un calcul matriciel connu et parfaitement à la portée d’un processeur moderne. Par ailleurs, le calcul de la température du gaz, lorsque le débit est suffisant pour occasionner une baisse de température, peut être amélioré en tenant compte des variations de débit selon les équations décrite dans la publication« Evaluating the temperature inside a tank during a filling with highly-pressurized gas », de Thomas Bourgeois, Fouad Ammouri, Mathilde Weber, Christophe Knapik et Elsevier Nov, publiée en 2014.
Pour améliorer la précision et rendre l’ensemble plus robuste, le système peut, lorsqu’un débit significatif est enregistré pendant un temps lui aussi significatif, vérifier la concordance entre la mesure de température de sortie du gaz et la température estimée Tg.
De manière annexe à la fonction de calcul, le dispositif, grâce à sa mémoire à accès par RFID, peut être utilisé à des fins d’identification et de traçabilité, par exemple :
- identification du récipient 1 et de sa compatibilité avec l’installation
- enregistrement de la date, pour générer une alarme le cas échéant
- enregistrement de données de traçabilité sur le gaz lui-même : son origine, son analyse certifiée par le fournisseur, son contenu en énergie décarbonée dans le cas du l’hydrogène, etc.
Si le récipient est fermé (sa vanne d’isolement 9 est en position fermée), l’étape de détermination de la masse étant réalisée de manière périodique, le procédé peut comporter une étape de détection de fuite dudit récipient 1 et/ou de détermination du débit de fuite de gaz.
Si le récipient est raccordé (sa vanne d’isolement 9 est en position ouverte) et que le consommateur ne consomme aucun gaz, le procédé peut comporter l’étape de déterminer une fuite du dispositif par la détermination d’une diminution de la masse dans le temps.
Si le récipient est raccordé (sa vanne d’isolement 9 est en position ouverte) et que consommateur consomme du gaz, le procédé peut comporter une étape de détection de fuite par une détermination du bilan de masse, notamment par comparaison des quantités extraites du récipient et de celle fournies au consommateur.
Claims (10)
- Dispositif pour estimer la masse d'un gaz sous pression, le dispositif comportant :
- une pluralité de récipients (1) de gaz sous pression,
- une canalisation (7) définissant une sortie (8) pour fournir le gaz à un consommateur, la canalisation (7) étant apte à mettre en communication fluidique au moins un des récipients (1) de la pluralité de récipients (1) avec la sortie (8),
- un dispositif de mesure de débit (4), disposé dans la canalisation (7) en amont de la sortie,
- une pluralité de vannes d’isolement (9), chaque vanne d’isolement (9) étant agencée pour sélectivement isoler fluidiquement au moins un des récipients (1) du dispositif de mesure de débit (4) en étant dans une position fermée, ou les mettre en communication fluidique en étant dans une position ouverte,
- au moins un capteur de température ambiante (6),
- un premier capteur de pression du gaz (2) à l’intérieur de la canalisation (7) en amont du dispositif de mesure de débit (4) et en aval de la pluralité de vannes,
- un deuxième capteur de pression du gaz (3) à l’intérieur de la canalisation (7) en aval du dispositif de mesure de débit (4),
- une unité de calcul agencée pour recevoir les signaux de mesure du premier capteur de pression (2), du deuxième capteur de pression (3) et de du capteur de température ambiante (6) et pour déterminer la masse du gaz disponible dans les récipients qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit (4).
- Dispositif selon la revendication précédente, chaque récipient (1) étant un réservoir composite, notamment en fibre de carbone et en résine.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, chaque récipient (1) étant agencé pour contenir de l’hydrogène gazeux pressurisé.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, le dispositif de mesure de débit comporte un dispositif de perte de charge (4) tel qu’une restriction et/ou un venturi et/ou un diaphragme.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, le deuxième capteur de pression étant un capteur de pression absolue ou un capteur de pression différentielle.
- Dispositif selon l’une des revendications précédentes, le premier capteur de pression étant un capteur de pression absolue.
- Procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression à l’aide d’un dispositif selon l’une des revendications précédentes, le procédé comportant :
- une étape (E1) de détermination de la température moyenne (Tc) des récipients (1) qui sont en communication fluidique avec le dispositif de mesure de débit (4), par convolution de la température ambiante (Te), en fonction d’un modèle thermique de comportement d’un des récipients (1) et en fonction de la variation de la pression (P) mesurée par le premier capteur de pression (2),
- une étape (E2) de détermination du nombre (N) de récipients (1) dont la vanne d’isolement (9) est en position ouverte,
- une étape (E3) de détermination de la masse (M) du gaz disponible dans l’ensemble des récipients (1) dont la vanne d’isolement (9) est en position ouverte.
- Procédé selon la revendication précédente, l’étape (E2) de détermination du nombre (N) étant réalisé à l’aide de la formule : N = N0 x ΔM(ΔP) / ΔM(P), N0 étant le nombre total de récipients (1), ΔM(ΔP) étant la masse de gaz déterminée par intégration du débit, ΔM(P) étant la masse de gaz déterminée par la variation de la pression mesurée par le premier capteur de pression.
- Procédé selon la revendication précédente, la détermination de ΔM(P) utilise la loi des gaz réels dans laquelle le volume de gaz est égal à la somme des volumes contenu dans tous les récipients.
- Procédé selon l’une des revendications 7 et 9, l’étape (E3) de détermination de la masse (M) étant réalisée à partir de Z(P, Tg) et V(P, Tc, N), Z étant le facteur de compressibilité du gaz, Tg étant la température estimée du gaz.
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|---|---|---|---|
| FR2207045A FR3137757A3 (fr) | 2022-07-08 | 2022-07-08 | Dispositif et procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2207045 | 2022-07-08 | ||
| FR2207045A FR3137757A3 (fr) | 2022-07-08 | 2022-07-08 | Dispositif et procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| FR3137757A3 true FR3137757A3 (fr) | 2024-01-12 |
Family
ID=83438795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2207045A Pending FR3137757A3 (fr) | 2022-07-08 | 2022-07-08 | Dispositif et procédé d'estimation de la masse d’un gaz sous pression |
Country Status (1)
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| FR (1) | FR3137757A3 (fr) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008139081A2 (fr) | 2007-05-03 | 2008-11-20 | L'AIR LIQUIDE Société Anonyme pour l'Etude et l'Eploitation des Procédés Georges Claude | Manomètre électronique de mesure de la pression |
| WO2015063502A1 (fr) | 2013-11-01 | 2015-05-07 | Luxfer Gas Cylinders Limited | Jauge électronique pour bouteille de gaz comprimé |
-
2022
- 2022-07-08 FR FR2207045A patent/FR3137757A3/fr active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008139081A2 (fr) | 2007-05-03 | 2008-11-20 | L'AIR LIQUIDE Société Anonyme pour l'Etude et l'Eploitation des Procédés Georges Claude | Manomètre électronique de mesure de la pression |
| WO2015063502A1 (fr) | 2013-11-01 | 2015-05-07 | Luxfer Gas Cylinders Limited | Jauge électronique pour bouteille de gaz comprimé |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| THOMAS BOURGEOISFOUAD AMMOURIMATHILDE WEBERCHRISTOPHE KNAPIK: "Evaluating the tem-perature inside a tank during afilling with highly-pressurized gas", 2014, ELSEVIER NOV |
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