Procédé et dispositif pour détecter le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse dans un réservoir métallique
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour détecter le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse contenues dans un réservoir métallique de gaz sous pression, notamment dans une bouteille de butane ou de propane. A l'heure actuelle, le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse contenues dans les bouteilles de butane et de propane est en général détecté à l'aide d'une cellule au césium. Cette solution impose toutefois la prise d'importantes mesures de sécurité pour assurer une protection efficace des installations et du personnel contre les rayons gamma émis par la cellule. La réalisation de la détection du niveau de séparation dans une zone explosive augmente encore les précautions à prendre. Une autre solution a été proposée récemment pour détecter le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse. . Cette autre solution, qui consiste à chauffer localement la paroi du réservoir et à utiliser un dispositif d'imagerie thermique mesurant le rayonnement infrarouge émis par la partie chauffée de la paroi, est toutefois difficile à mettre en œuvre. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients des solutions susmentionnées et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé de détection du niveau de séparation des phases liquide et gazeuse contenues dans un réservoir métallique de gaz sous pression, notamment dans une bouteille de butane ou de propane, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : mesurer la température de la paroi du réservoir en deux emplacements situés l'un au maximum à la hauteur du niveau de séparation minimum admissible et l'autre au minimum à la hauteur du niveau maximum autorisé, la mesure étant effectuée dans . un délai limité après l'emplissage du réservoir ; et comparer les températures mesurées afin d'extraire le réservoir du circuit commercial lorsque ces températures sont identiques.
Lorsqu'un gaz sous pression est introduit à l'état liquide dans un réservoir, il subit une détente au cours de laquelle une partie prédéterminée de la phase liquide se transforme en phase gazeuse. Cette détente s'accompagne d'un refroidissement des phases liquide et gazeuse. Or, comme la diffusion thermique entre le réservoir et la phase liquide est plus grande que celle entre le réservoir et la phase gazeuse, les parties de la paroi du réservoir qui sont en contact avec la phase liquide deviennent plus froides que les parties en contact avec la phase gazeuse. Immédiatement après l'opération d' emplissage, un gradient de température s'établit donc de part et d'autre du niveau de séparation des phases liquide et gazeuse. C'est en détectant la différence de température s' établissant lors de l' emplissage, entre les parties de la paroi du réservoir qui sont situées de part et d'autre du niveau de séparation, que le procédé selon l'invention permet de détecter ce dernier. Etant donné que cette différence de température n'est décelable que pendant une courte période de temps, le procédé selon l'invention doit évidemment être mis en œuvre dans un délai limité après l' emplissage. De préférence, la mesure des températures est réalisée dans un délai maximum de 30 minutes après l' emplissage du réservoir. Au-delà de ce délai, les températures des parties du réservoir situées de part et d'autre du niveau de séparation redeviennent en effet uniformes. Selon un premier mode de mise en œuvre du procédé conforme à l'invention, la mesure des températures est réalisée à l'aide de deux pyromètres infrarouges. Selon un second mode de mise en œuvre du procédé, la mesure des températures peut cependant être réalisée à l'aide d'un pyromètre infrarouge unique déplaçable verticalement. Le procédé selon cette variante a l'avantage d'être facile à mettre en œuvre.
Avantageusement, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape consistant à projeter de la vapeur d'eau sur au moins la partie du réservoir au niveau de laquelle les mesures de température sont effectuées, la projection de la vapeur étant assurée avant la réalisation des mesures de température. Grâce à cette projection de vapeur, la différence entre les températures des phases liquide et gazeuse peut être plus facilement décelable, ce qui permet de localiser de façon plus précise le niveau de séparation de ces deux phases. Le procédé selon l'invention est de préférence mis en œuvre dans une installation d' emplissage de bouteilles de gaz, la mesure des températures étant réalisée au niveau d'un poste fixe dans lequel les bouteilles de gaz sont amenées les unes après les autres. La présente invention concerne également un dispositif pour détecter le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse contenues dans un réservoir métallique de gaz sous pression, notamment dans une bouteille de butane ou de propane, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un bâti portant des moyens pour mesurer la température du réservoir en deux emplacements, l'un situé au maximum à la hauteur du niveau de séparation minimum admissible et l'autre au minimum à la hauteur du niveau maximum autorisé, et des moyens de traitement pour comparer les températures mesurées aux deux emplacements afin d'extraire le réservoir du circuit commercial lorsque les températures sont identiques. De préférence, le bâti est monté sur un portique sur lequel il est déplaçable verticalement entre une position haute extrême dans laquelle un réservoir est en place devant les moyens de mesure de température et une position basse extrême dans laquelle aucun réservoir n'est devant lesdits moyens de mesure de température. Le bâti peut avantageusement comporter au moins un patin reposant sur la partie supérieure du réservoir lorsqu'il est dans sa position haute extrême et pendre sous le portique lorsqu'il est dans sa position basse extrême. Lorsque le patin repose sur la partie supérieure du réservoir, les moyens de mesure de température sont automatiquement à la
hauteur voulue pour qu'une éventuelle différence de température entre les parties du réservoir qui sont situées de part et d'autre du niveau de séparation des phases liquide et gazeuse puisse être détectée dans des conditions optimales. Par ailleurs, le portique peut avantageusement chevaucher un convoyeur associé à une installation d' emplissage de bouteilles de gaz et apte à entraîner les bouteilles les unes à la suite des autres . Grâce au dispositif selon l'invention, l'installation d' emplissage peut fonctionner à une cadence élevée puisqu'elle peut traiter jusqu'à 1200 bouteilles par heure. De préférence, les bouteilles soulèvent le patin et déplacent le bâti de sa position basse extrême à sa position haute extrême lorsqu'elles viennent sous le portique. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de mesure de température comprennent deux pyromètre infrarouges dirigés vers la paroi latérale du réservoir et fixés sur le bâti de façon à mesurer les températures au niveau des deux emplacements . Selon un second mode de réalisation de l'invention, les moyens de mesure de température comprennent un pyromètre infrarouge unique dirigé vers la paroi latérale du réservoir et déplaçable verticalement sur le bâti de façon à mesurer les températures au niveau des deux emplacements. Afin d'augmenter la précision des mesures de température, le bâti peut avantageusement être pourvu d'un chariot sur lequel sont montés les moyens de mesure de température et qui est pourvu d'un élément de contact destiné à s'appuyer contre la paroi latérale d'un réservoir sous l'action d'un organe élastique lorsque le réservoir est devant les moyens de mesure. De préférence, le chariot est porté par un ensemble monté sur le bâti et sur lequel il est déplaçable perpendiculairement à la trajectoire des récipients, son déplacement étant assuré à 1' encontre de l'action de l'organe élastique sur les réservoirs parvenant devant l'élément de contact et exerçant sur celui-ci une poussée pour suivre leur trajectoire.
Grâce à ce montage, les moyens de mesure de température peuvent être maintenus facilement à une distance prédéterminée du réservoir, ce qui leur permet de fournir des résultats précis . Selon une caractéristique particulière du dispositif selon l'invention, le support peut avantageusement être déplaçable parallèlement à la trajectoire des bouteilles, entre une première position à partir de laquelle commencent les mesures de température et une seconde position dans laquelle se terminent lesdites mesures. Cette caractéristique permet d'obtenir des mesures de température précises lorsque les réservoirs circulent en continu devant les moyens de mesure. Le temps de réponse de ces derniers n'a en effet aucune influence sur les mesures puisque celles-ci peuvent être effectuées plusieurs fois pendant que les réservoirs se déplacent . De préférence, le support comporte un plot d'entraînement déplaçable perpendiculairement à la trajectoire des réservoirs, entre une position avancée dans laquelle il est placé devant un réservoir, au début des mesures, et une position rétractée dans laquelle il est éloigné du réservoir, à la fin desdites mesures. Le déplacement du support pendant l'exécution des mesures peut ainsi être assuré par les réservoirs pendant leur déplacement, ce qui permet de simplifier la structure du dispositif de détection. Il est cependant souhaitable qu'un vérin soit prévu entre le bâti et le support pour ramener ce dernier dans sa première position lorsque les mesures sont terminées. Grâce à ce vérin, le dispositif de détection peut fonctionner automatiquement et sans temps mort. Le dispositif de détection selon l'invention peut en outre comprendre des moyens pour projeter de la vapeur d'eau sur au moins la partie des réservoirs au niveau de laquelle les mesures de températures sont effectuées, les moyens de projection étant actionnés avant la réalisation des mesures de température. Grâce à la vapeur d'eau projetée, les différences de température entre les phases liquide et gazeuse peuvent être
décelées plus facilement, ce qui permet une localisation plus précise du niveau de séparation de ces deux phases. Plusieurs modes d'exécution de la présente invention seront décrits ci-après à titre d'exemples nullement limitatifs en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue de côté d'un dispositif de détection conforme à l'invention, monté sur un portique chevauchant le convoyeur d'une installation d' emplissage de bouteilles de gaz, ce dispositif étant représenté alors que son bâti est dans sa position basse extrême ; la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 mais montrant le dispositif alors que son bâti est dans sa position haute extrême ; la figure 3 est une vue en coupe schématique selon la ligne III-III de la figure 2. la figure 4 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 3, mais montrant un autre dispositif de détection conforme à 1 ' invention ; la figure 5 est une vue de côté du dispositif visible sur la figure 4, le support des moyens de mesure étant dans sa première position ; la figure 6 est une vue de côté analogue à celle de la figure 5 mais dans laquelle le support des moyens de mesure est dans sa seconde position ; et - la figure 7 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 4, mais dans laquelle les moyens de mesure comprennent un pyromètre infrarouge unique . Le dispositif représenté sur les figures 1 à 3 a été mis au point pour détecter le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse contenues dans des bouteilles de butane ou de propane. Il pourrait cependant être utilisé pour connaître le niveau de liquide dans d'autres réservoirs métalliques contenant d'autres gaz sous pression.
Le dispositif de détection comprend un bâti 1 monté sur un portique 2 chevauchant le convoyeur 3 d'une installation conçue pour emplir des bouteilles de gaz 4. Le bâti 1 comprend un support vertical 5 sur lequel deux pyromètres infrarouges 6 sont fixés horizontalement l'un au-dessus de l'autre. Bien entendu, les pyromètres ne sont pas obligatoirement disposés le long de la même verticale ; ils pourraient en effet être situés sur une ligne oblique, notamment pour faciliter les opérations de maintenance. Le bâti 1 comprend également un châssis 7 situé au-dessus du convoyeur 3 de l'installation d' emplissage et relié au support 5 par un bras horizontal 8 visible sur la figure 3. Les parois latérales du châssis 7 s'étendent parallèlement au convoyeur 3 et sont reliées chacune par deux bielles parallèles 9 à une structure 10 fixée à la partie supérieure du portique 2. Grâce à ce montage particulier, le bâti 1 est déplaçable verticalement entre une position basse extrême visible sur la figure
1 et dans laquelle aucune bouteille n'est sous le portique, et une position haute extrême visible sur la figure 2 et dans laquelle une bouteille est sous le portique. La face inférieure du châssis 7 porte deux patins 11 s 'étendant parallèlement au convoyeur 3 et espacés l'un de l'autre de façon à pouvoir recevoir entre eux le robinet des bouteilles 4. La face inférieure des patins 11 s'incline vers le bas, du bord antérieur de ceux-ci jusqu'à une partie intermédiaire plane destinée à coopérer avec le dôme des bouteilles 4. Elle s'incline ensuite vers le haut, de cette partie intermédiaire jusqu'au bord postérieur des patins. Lorsqu' aucune bouteille n'est sous le portique 2, l'extrémité inférieure du bord antérieur des patins 11 est légèrement plus haut que la base du dôme des bouteilles. Ainsi, lorsqu'une bouteille 4 est entraînée dans le sens de la flèche F et s'avance sous le portique 2, son dôme entre en contact avec les patins 11 et soulève le bâti 1.
Le bâti arrive dans sa position haute extrême lorsque la bouteille 4 se trouve devant les pyromètres 6, sous le portique 2. Le convoyeur 3 peut éventuellement être immobilisé quand le bâti est dans sa position haute extrême. Les deux pyromètres 6 sont dirigés vers la paroi latérale de la bouteille, le pyromètre inférieur étant normalement situé au-dessous du niveau de séparation minimum admissible des phases liquide et gazeuse contenues dans la bouteille, tandis que le pyromètre supérieur est normalement situé à une hauteur inférieure ou égale au niveau de séparation maximum autorisé. Les pyromètres 6 sont utilisés pour déterminer les températures des parties de la paroi de la bouteille qui sont situées devant eux et peuvent être éloignés l'un de l'autre d'une distance de l'ordre de 5 mm à 10 cm. Comme on l'a déjà indiqué ci -dessus, la bouteille est remplie avec du gaz liquéfié. Celui-ci, en pénétrant dans la bouteille, se détend et se vaporise en partie, ce qui provoque un refroidissement des phases liquide et gazeuse incidentes et crée une différence de température entre ces deux phases. Comme la chaleur de la phase liquide diffuse plus rapidement vers la paroi de la bouteille que la chaleur de la phase gazeuse, il s'établit un gradient de température de part et d'autre du niveau de séparation des deux phases. C'est donc ce gradient de température qui est déterminé à l'aide des deux pyromètres 6. Lorsque les températures relevées sont différentes, le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse est situé à une hauteur intermédiaire entre les axes horizontaux des pyromètres. La bouteille est donc remplie convenablement et peut être mise dans le commerce . En revanche, lorsque les températures relevées sont identiques, le niveau de séparation des phases liquide et gazeuse est situé en dehors de l'intervalle délimité par les axes horizontaux des pyromètres.
Dans ce cas, la bouteille n'est pas assez remplie ou l'est trop et doit être éliminée du circuit commercial. La détermination des températures des parties de la paroi de la bouteille qui sont devant les pyromètres doit bien entendu être effectuée très peu de temps après l' emplissage de la bouteille. En effet, si les températures de ces parties étaient déterminées longtemps après l' emplissage, elles auraient le temps de s'uniformiser et les indications fournies par les pyromètres seraient identiques et par conséquent inexploitables. Le dispositif de détection comprend par ailleurs des moyens de traitement non représentés pour comparer les températures déterminées par les pyromètres et décider si la bouteille qui vient d'être remplie peut être dirigée dans le circuit commercial ou en être éliminée. On rappellera que la bouteille est acceptée lorsqu'une différence de température est décelée par les pyromètres et refusée lorsque les températures déterminées par ces derniers sont identiques . Pour l'exécution des mesures de température, le convoyeur peut fonctionner pas à pas et s'arrêter lorsqu'une bouteille parvient sous le portique. Il peut toutefois fonctionner en continu, les mesures de température étant réalisées pendant que les bouteilles circulent devant les pyromètres. On notera ici qu'un dispositif amortisseur non représenté peut être prévu pour permettre au bâti de venir en douceur dans sa position basse extrême lorsque les bouteilles 4 s'éloignent du portique 2, une fois les mesures de températures effectuées. Les moyens de traitement du dispositif de détection peuvent avantageusement comprendre un automate pour commander l'évacuation des bouteilles ne pouvant pas être mises sur le marché. En cas de besoin, cet automate pourrait transmettre les informations à l'extérieur de la zone explosive par l'intermédiaire de fibres optiques vers un poste de supervision de la production. Des moyens pourraient également être prévus pour ajuster automatiquement la hauteur des pyromètres sur le bâti, en fonction
de la température de la phase liquide contenue dans les bouteilles, afin de tenir compte des variations en hauteur des niveaux de séparation minimum admissible et maximum autorisé, ces variations dépendant de la température et du gaz contenu dans les bouteilles. Le dispositif de détection qui vient d'être décrit comprend par ailleurs des moyens 12 pour projeter de la vapeur d'eau sur les bouteilles 4, au moins sur leur partie au niveau de laquelle les mesures de température sont effectuées . Les moyens 12 sont situés en amont du portique 2 et comprennent un générateur de vapeur 13 situé à proximité du convoyeur 3, et au moins une buse 14 reliée au générateur 13 par l'intermédiaire d'une conduite 15 et orientée de façon à projeter la vapeur d'eau les bouteilles circulant devant elle. Grâce à cette projection de vapeur, la différence entre les températures des phases liquide et gazeuse peut être décelée plus facilement, et les mesures fournies par les pyromètres 6 peuvent être plus précises. Le dispositif de détection visible sur les figures 4 à 6 présente de grandes similitudes avec celui qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 à 3 et, pour cette raison, les parties constitutives communes aux deux dispositifs seront désignées par les mêmes références et ne seront pas décrites à nouveau ici. En fait, le dispositif représenté sur les figures 4 à 6 se distingue du dispositif visible sur les figures 1 à 3 en ce que le bâti 1 comporte un chariot 16 sur lequel sont montés les deux pyromètres infrarouges 6 et qui est pourvu d'une barre horizontale 17 s ' étendant parallèlement à la trajectoire des bouteilles 4. Le chariot 16 est porté par un ensemble 18 sur lequel il est déplaçable perpendiculairement à la trajectoire des bouteilles. Un ressort 19 s 'étendant parallèlement aux pyromètres 6 et comprimé entre une potence 20 de l'ensemble 18 et le chariot 16 sollicite ce dernier vers la trajectoire des bouteilles, dans la direction de la flèche FI. Lorsque les bouteilles s'avancent sous le portique 2, leur paroi latérale vient en contact avec la barre 17 et oblige le
chariot 16 à se déplacer dans le sens inverse de la flèche FI, à 1 ' encontre de l'action du ressort 19. Ainsi, les pyromètres 6 sont maintenus à une distance prédéterminée des bouteilles pendant les opérations de mesure, ce qui permet d'obtenir des résultats précis et fiables. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 4 à 6, l'ensemble 18 est déplaçable sur le bâti 1, parallèlement à la trajectoire des bouteilles, entre une première position (visible sur la figure 5) à partir de laquelle commencent les mesures de température, et une seconde position (visible sur la figure 6) dans laquelle se terminent lesdites mesures. Le chariot 16 comporte un plot d'entraînement 21 déplaçable perpendiculairement à la trajectoire des bouteilles, entre une position avancée (visible sur la figure 4) dans laquelle il est placé devant une bouteille, du début à la fin des mesures, et une position rétractée dans laquelle il est éloigné de la bouteille une fois les mesures terminées. Un vérin 22 porté par le chariot 16 est prévu pour déplacer le plot 21 entre ses positions avancée et rétractée en fonction de la position des bouteilles sur le convoyeur 3. Lorsqu'une bouteille entre en contact avec le plot 21, celui-ci oblige l'ensemble 18 à se déplacer avec lui dans le sens de la flèche F2 sur la figure 5, l'ensemble 18 entraînant bien entendu le chariot 16 avec lui. Les pyromètres 6 demeurent ainsi plus longtemps devant la bouteille située sous le portique, ce qui permet l'exécution de plusieurs mesures successives et par conséquent l'obtention de résultat plus précis. Lorsque les mesures sont terminées, un vérin 23 monté entre le bâti 1 et l'ensemble 18 est prévu pour ramener ce dernier dans sa première position lorsque les mesures sont terminées. Pour être précis, on indiquera que l'ensemble 18, qui est déplaçable parallèlement à la trajectoire des bouteilles 4, est en réalité porté par le support 5 du bâti.
On notera par ailleurs que le support 5 est lui-même déplaçable verticalement par rapport au bras horizontal 8 du bâti 1 sous la commande d'un vérin non représenté. Grâce à ce montage particulier, il est donc possible d'effectuer les mesures de températures en des emplacements prédéterminés de la paroi latérale, le choix de ces emplacements étant choisi par exemple en fonction de la taille des bouteilles. Le dispositif de détection visible sur la figure 7 présente de grandes similitudes avec celui qui vient d'être décrit en référence aux figures 4 à 6. Par suite, les parties constitutives communes aux deux dispositifs seront désignées par les mêmes références et ne seront pas décrites à nouveau ici. En fait, le dispositif représenté sur la figure 7 se distingue du dispositif visible sur les figures 4 à 6 en ce que le chariot 16 comporte un pyromètre infrarouge 6 unique. Ce pyromètre 6 est déplaçable verticalement sur le chariot 16 sous la commande d'un vérin 24 afin qu'il puisse mesurer aux emplacements voulus la température de la bouteille située devant lui. On rappellera à toutes fins utiles que, là encore, les mesures de température sont effectuées en deux emplacements, l'un situé au maximum à la hauteur du niveau de séparation minimum admissible et l'autre au minimum à la hauteur du niveau maximum autorisé.