WO2006070139A1 - Dispositif de mesure de la concentration en radon emanant d'un sol - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a continuous and in situ measurement device of the flow parameters of a gas emanating from the ground and in particular its speed and its flow rate.
- the aim of the present invention is to propose a measuring device, in particular intended to be buried in the ground on a site to be monitored and making it possible to monitor continuously the variations in concentration, speed and flow of the two isotopes of radon (Rn 220 and Rn 222 ) and correspondingly gases which, in this geological situation, are associated with it.
- the subject of the present invention is therefore a device for measuring in situ and at least sequentially the radon concentration of a soil by means of a measurement system, characterized in that it comprises: a cylindrical tubular measuring envelope open at its lower part on an emanation of the gases to be studied and whose upper part is such that it allows a transfer of the gases, this envelope ensuring a flow of gas flow from the bottom to the top and receiving at least one sensor capable of measuring the concentration of radon Rn 220 and / or radon Rn 222 contained in said gas flow,
- the present invention thus makes it possible to obtain, for a measurement zone, the state as a function of time of the radon concentration, the speed and the flow rate of the gas that carries it.
- the device according to the invention will comprise three sensors arranged one after the other in said envelope so that the distance from the upper sensor to the intermediate sensor is greater than the distance from the latter to the lower sensor, the latter distance being itself even greater than the distance separating the lower sensor from the base of the measurement envelope.
- the present invention is also of interest for monitoring natural degassing anomalies such as those present in hydrothermal zones or seismic or volcanic zones.
- the present invention can thus be applied in particular to the monitoring of thermomineral areas, the monitoring of volcanoes or seismogenic faults, the control of underground fuel gas reservoirs of geological sequestration sites for carbon dioxide, etc.
- the device according to the invention may be used in the open air, and in such a mode of implementation its lower part will be connected to the gas source that one wishes to study, but its preferred modes of implementation will be uses in which it will be buried in the soil and the measurement envelope will then be closed by closure means, in particular consisting of a semi-permeable membrane, allowing the transfer of gases.
- the device according to the invention may also comprise means making it possible to bring the sensors closer to one another or to move them away from each other, and this according to the type of analysis to be performed and in particular according to the instantaneous speed of the gases at each level. sensors.
- the sensors will be contained in a cylindrical modular element receiving all the electronic elements necessary for their operation and in particular the electronics ensuring the data capture as well as a memory in which will be stored the information collected by them.
- the electrical energy required to operate the sensor of a module can be stored in batteries housed in the module.
- the present invention is also of interest in the fields where radon does not specifically constitute the tracer of an exogenous gas in the medium where it is analyzed, but where it is itself the tracer of the contamination of the atmosphere. This is particularly the case for applications in which it is desired to determine in a general or particular way the level and origin of radon contamination of dwellings, for example in sectors where a mining activity has destructured the subsoil or in areas naturally exposed to flux from the ground.
- the subject of the present invention is also a process for measuring in situ and at least sequentially the concentration of radon, in particular of a soil, by means of a measurement set buried in it, characterized in that it comprises the steps of:
- a probe consisting of a cylindrical tubular measuring envelope open at its lower part on an emanation of the gases to be studied and whose upper part is such that it allows a transfer of gases, the envelope ensuring a flow of gas flow from bottom to top, at least one sensor capable of measuring the radon concentration Rn 220 and / or radon Rn 222 contained in said gas flow, means able to measure the temperature existing in the measurement envelope at level of the sensor with the same measurement sequence as that of radon, and means suitable for measure the pressure inside the measuring envelope, and at ground level,
- the measurement modules 7a, 7b, 7c are also provided with electronic means for managing and storing the data acquired, respectively 13a, 13b, 13c, which are able to record the measurements made by the radon sensors 7a, 7b, 7c, and by the temperature sensors 8a, 8b, 8c. It would of course also be possible according to the invention to use teletransmission means for addressing in real time or delayed measurements made to receiving means remote from the measurement site.
- the radon sensors 9a, 9b, 9c of these modules are spaced from each other by a distance that is increasing from upstream to downstream.
- the sensor 9c of the lower module 7c is spaced a distance dl_ from the lower opening of the measuring chamber 1
- the sensor 9b of the tubular element 7b is moved away from the lower sensor 9c by a distance d2_ greater than the eyelash
- the upper sensor 9a of the measuring chamber 7a is moved away from the intermediate sensor 9b by a distance d3 greater than d2.
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Abstract
Dispositif de mesure in situ et au moins séquentielle de la concentration en radon, notamment d'un sol, au moyen d'un ensemble de mesure. Ce dispositif est caractérisé en ce qu' il comprend : - une enveloppe de mesure 1 tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure la sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure Ib est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe 1 assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, et recevant au moins un capteur (7a, 7b, 7c) apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, -des moyens (8a, 8b, 8c) aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure 1 au niveau du capteur (7a, 7b, 7c) avec la même séquence de mesure que celle du radon, -des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure 1 et au niveau du sol.
Description
DISPOSITIF DE MESURE DE LA CONCENTRATION EN RADON EMANANT D ' UN SOL
La présente invention concerne un dispositif de mesure en continu et in situ des paramètres d'écoulement d'un gaz émanant du sol et notamment de sa vitesse et de son débit.
On sait que dans le cadre notamment du confinement et de la séquestration de certains gaz dans le sol, la détection et la mesure en continu des gaz émanant du sol est d'une importance capitale eut égard aux enjeux relatifs à la sécurité. Une telle importance est illustrée par exemple par les problèmes de la séquestration du gaz carbonique dans les formations géologiques ou le stockage d'hydrocarbures légers dans des aquifères.
Or on sait également que la détection des fuites à la surface du sol par la mesure directe de ces gaz est une opération extrêmement délicate à mettre en œuvre en raison des faibles débits concernés. C'est pourquoi on a proposé de réaliser ces mesures sur des gaz rares associés aux gaz à mesurer que l'on utilise comme traceurs. On a ainsi fait appel à la mesure de débit du radon, pour modéliser la vitesse réelle de transfert des gaz percolant dans les sols et ceci pour des vitesses de l'ordre de quelques centimètres par heure à plusieurs dizaines de centimètres par heure.
La présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure notamment destiné à être enterré dans le sol sur un site à surveiller et permettant de suivre de façon continue les variations de concentration, de vitesse et de débit des deux isotopes du radon (Rn220 et Rn222) et corrélativement des gaz qui, dans cette situation géologique, lui sont associés.
La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de mesure in situ et au moins séquentielle de la concentration en radon d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une enveloppe de mesure tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut et recevant au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz,
- des moyens aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure au niveau du capteur avec la même séquence de mesure que celle du radon,
- des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur et de l'enveloppe de mesure et au niveau du sol.
La présente invention permet ainsi d'obtenir, pour une zone de mesure, l'état en fonction du temps de la concentration en radon, de la vitesse et du débit du gaz qui transporte celui-ci.
Préférentiellement le dispositif suivant l'invention comportera trois capteurs disposés à la suite les uns des autres dans ladite enveloppe de façon que la distance du capteur supérieur au capteur intermédiaire soit supérieure à la distance de ce dernier au capteur inférieur, cette dernière distance étant elle-même supérieure à la distance séparant le capteur inférieur de la base de l'enveloppe de mesure. On a établi qu'un tel mode de mise en oeuvre permettait de mettre en évidence l'existence d'événements éphémères, c'est-à-dire de signaux dont la durée de vie est relativement faible, notamment de l'ordre de quelques heures ou quelques jours, et qui sont les précurseurs de modifications des conditions d'équilibre d'un processus de dégazage en profondeur. On a représenté sur la figure 2 une courbe représentant la concentration en radon et qui est caractéristique de tels événements dans le cas d'un dispositif suivant l'invention enterré dans le sol à deux
mètres de profondeur, avec des pas de mesure de l'ordre d'une heure. Ce processus de dégazage étant notamment lui-même le révélateur de modifications des contraintes géologiques du sol. La présente invention permet non seulement de détecter mais de- plus de localiser l'origine de ces signaux éphémères, dans la mesure où le radon possède des périodes de décroissances rapides.
La présente invention est également intéressante pour assurer le suivi des anomalies naturelles de dégazage telles que celles présentes dans les zones hydrothermales ou les zones sismiques ou volcaniques. La présente invention peut ainsi être notamment appliquée à la surveillance des aires thermominérales, à la surveillance des volcans ou des failles sismogènes, au contrôle des réservoirs souterrains de gaz combustibles des sites de séquestration géologique du gaz carbonique etc..
Le dispositif suivant l'invention pourra être utilisé à l'air libre, et dans un tel mode de mise en œuvre sa partie inférieure sera reliée à la source gazeuse que l'on souhaite étudier, mais ses modes de mise en œuvre préférentiels seront des utilisations dans lesquelles il sera enfoui dans le sol et l'enveloppe de mesure sera alors fermée par des moyens d'obturation, notamment constitués d'une membrane semi- perméable, autorisant le transfert des gaz. Le dispositif suivant l'invention pourra également comporter des moyens permettant de rapprocher ou d' éloigner les capteurs les uns des autres, et ceci en fonction du type d'analyse à réaliser et en fonction notamment de la vitesse instantanée des gaz au niveau de chacun des capteurs. Préférentiellement les capteurs seront contenus dans un élément modulaire cylindrique recevant l'ensemble des éléments électroniques nécessaires à leur fonctionnement et notamment l'électronique assurant la saisie des données ainsi
qu'une mémoire dans laquelle seront stockées les informations recueillies par ceux-ci.
L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du capteur d'un module pourra être stockée dans des batteries logées dans le module. Préférentiellement on pourra également faire appel à un module spécifique contenant les batteries auquel viendront se connecter les modules porteurs des capteurs.
La présente invention est également intéressante dans les domaines où le radon ne constitue pas spécifiquement le traceur d'un gaz exogène au milieu où il est analysé, mais où il est lui-même le traceur de la contamination de l'atmosphère. Tel est notamment le cas des applications dans lesquelles on souhaite déterminer d'une manière générale ou particulière le niveau et l'origine de la contamination par le radon des habitations, par exemple dans les secteurs où une activité minière a déstructuré le sous-sol ou dans des secteurs naturellement exposés à des flux émanant du sol.
La présente invention a également pour objet un procédé de mesure in situ et de façon au moins séquentielle de la concentration en radon notamment d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure enterré dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
- disposer une sonde constituée d'une enveloppe de mesure tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, d'au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, des moyens aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure au niveau du capteur avec la même séquence de mesure que celle du radon, et des moyens aptes à
mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure, et au niveau du sol,
- purger l'enveloppe de mesure afin que l'atmosphère ambiante existant dans celle-ci en début des mesures soit identique à celle de l'atmosphère extérieure,
- procéder à une initialisation des mesures faites par les capteurs lorsque l'enveloppe de mesure est purgée.
On décrira ci-après à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une vue en coupe verticale d'un dispositif suivant l'invention mis en place sur un site.
La figure 2 est une courbe représentant un exemple de signaux éphémères. On a représenté sur la figure un dispositif de mesure suivant l'invention. Celui-ci est essentiellement constitué d'une chambre de mesure 1 constituée d'un élément tubulaire en polychlorure de vinyle (PVC) de diamètre D et de longueur L bien déterminés, ces valeurs entrant dans les calculs réalisés à partir des mesures. Cet élément est disposé verticalement dans un sol 3 faisant partie d'un site où l'on souhaite mesurer les paramètres de transfert des gaz du sol vers l'atmosphère. Cette chambre de mesure 1 est ouverte à sa partie inférieure la et fermée à sa partie supérieure Ib par une membrane semi-perméable 5, apte à laisser passer vers l'atmosphère les gaz issus du sol et empêcher l'entrée dans cet élément des eaux d'infiltration et des matières solides issues du sol lui-même. Avantageusement on pourra utiliser une membrane de téflon microporeux ou du produit commercialisé sous la marque GORE TEX. L'élément tubulaire assure ainsi une première fonction de préservation mécanique des capteurs contre les agressions extérieures, et une seconde fonction relative au processus même du calcul de la
mesure, dans lequel interviennent ses caractéristiques mécaniques telles que sa section droite et sa longueur.
A l'intérieur de la chambre 1 on a disposé trois modules de mesure superposés, à savoir un module supérieur 7a, un module intermédiaire 7b et un module inférieur 7c. Ces modules sont respectivement constitués d'une enveloppe cylindrique renfermant un capteur 9a, 9b, 9c apte à mesurer à la fois les débits en isotopes Rn220 et Rn222 du flux de gaz traversant la chambre de mesure 1 et un capteur de température, respectivement 8a, 8b, 8c, apte à mesurer la température du gaz au niveau du capteur. L'enveloppe cylindrique renferme également des moyens électroniques respectifs lia, 11b, lie permettant de piloter le fonctionnement des capteurs. Les modules de mesure 7a, 7b, 7c sont également pourvus de moyens électroniques de gestion et de stockage des données acquises, respectivement 13a, 13b, 13c, qui sont aptes à enregistrer les mesures effectuées par les capteurs de radon 7a,7b, 7c, et par les capteurs de température 8a, 8b, 8c. Il serait bien entendu également possible suivant l'invention de faire appel à des moyens de télétransmission pour adresser en temps réel ou différé les mesures effectuées à des moyens récepteurs éloignés du site de mesure.
Les capteurs de radon 9a, 9b, 9c de ces modules sont écartés les uns des autres d'une distance qui est croissante de l'amont vers l'aval. Ainsi le capteur 9c du module inférieur 7c est éloigné d'une distance dl_ de l'ouverture inférieure de la chambre de mesure 1, le capteur 9b de l'élément tubulaire 7b est éloigné du capteur inférieur 9c d'une distance d2_ supérieure à cil et le capteur supérieur 9a de la chambre de mesure 7a est éloigné du capteur intermédiaire 9b d'une distance d3_ supérieure à d2.
Les modules 7a, 7b, 7c reçoivent leur énergie électrique d'un module alimentation 14, constitué de batteries, auquel leurs entrées respectives 15a, 15b, 15c sont reliées. Ce module
est également pourvu d'un capteur 16 permettant de mesurer la pression existant dans la chambre de mesure 1. On dispose également de moyens aptes à mesurer la pression atmosphérique au niveau du sol ou pression externe. Le dispositif sera pourvu de moyens de temporisation permettant d'effectuer les différentes mesures de façon séquentielle avec un pas de mesure ajustable dépendant des conditions opérationnelles et qui peut notamment varier entre 15 minutes et 2 heures. Ces mesures seront stockées dans la mémoire 13a, 13b, 13c de chaque module et après une période de mesures de l'ordre de un mois on est en mesure de déterminer :
- la vitesse de Darcy (ou flux) , soit le débit de gaz portant le radon, par l'ajustement de l'accroissement de la concentration du radon dans l'enceinte en fonction du temps; la vitesse apparente du gaz par un traitement différentiel des informations reçues simultanément sur les trois capteurs,
- la vitesse instantanée du gaz dans le sol avant son entrée dans l'enceinte (Pinault et Baubron, Journal of
Geophysical Research, 1997),
- le calcul des paramètres des événements éphémères par l'analyse de la modification des signaux enregistrés simultanément par les trois capteurs. Suivant l'invention on a constaté que pour obtenir des mesures précises et fiables il était important de procéder, avant une période de mesure, à une purge de la chambre de mesure 1, par exemple à l'aide de moyens de ventilation par surpression, de façon que l'atmosphère ambiante de cette chambre soit identique à celle de l'atmosphère. On réalise alors une initialisation du dispositif par la saisie des paramètres de mesure.
Claims
1.- Dispositif de mesure in situ et au moins séquentielle de la concentration en radon, notamment d'un sol, au moyen d'un ensemble de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enveloppe de mesure (1) tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure (la) sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure (Ib) est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe (1) assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, et recevant au moins un capteur (7a, 7b, 7c) apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz,
- des moyens (8a, 8b, 8c) aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure (1) au niveau du capteur (7a, 7b, 7c) avec la même séquence de mesure que celle du radon,
- des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure (1) et au niveau du sol.
2. - Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe de mesure (1) comporte trois capteurs
(7a, 7b,7c), ces capteurs étant disposés à la suite les uns des autres dans ladite enveloppe (1) de façon que la distance
(d3) du capteur supérieur (7a) au capteur intermédiaire (7b) soit supérieure à la distance (d2) de ce dernier au capteur inférieur (7c) , cette dernière distance étant elle-même supérieure à la distance (dl) du capteur inférieur (7C) à la base de l'enveloppe de mesure (1) .
3.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'enveloppe de mesure (1) est enfouie dans le sol (3) de façon que sa partie supérieure (Ib) soit recouverte par celui-ci, ladite enveloppe de mesure (1) étant alors fermée par des moyens d'obturation (5), notamment constitués d'une membrane semi-perméable, autorisant le transfert des gaz.
4.- Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu' il comporte des moyens de réglage aptes à permettre l'adaptation des distances (dl,d2,d3) séparant les capteurs.
5.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que à chaque capteur (7a, 7b, 7c) comporte des moyens de stockage (13a, 13b, 13c) des données mesurées par celui-ci.
6.- Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que le capteur (7a, 7b, 7c) est contenu dans un élément modulaire cylindrique renfermant les moyens de stockage (13a, 13b, 13c) des données mesurées.
7.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu' il comprend un module de stockage d'énergie électrique (16) auquel sont reliés les capteurs (7a, 7b, 7c) .
8.- Procédé de mesure in situ et de façon au moins séquentielle de la concentration en radon d'un sol au moyen d'un ensemble de mesure enterré dans celui-ci, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à :
- disposer une sonde constituée d'une enveloppe de mesure (1) tubulaire cylindrique ouverte à sa partie inférieure (la) sur une émanation des gaz à étudier et dont la partie supérieure (Ib) est telle qu'elle permet un transfert des gaz, cette enveloppe (1) assurant un écoulement du flux de gaz du bas vers le haut, d'au moins un capteur apte à mesurer la concentration en radon Rn220 et/ou en radon Rn222 contenu dans ledit flux de gaz, des moyens (8a, 8b, 8c) aptes à mesurer la température existant dans l'enveloppe de mesure (1) au niveau du capteur (7a, 7b, 7c) avec la même séquence de mesure que celle du radon, et des moyens aptes à mesurer la pression à l'intérieur de l'enveloppe de mesure et au niveau du sol, - purger l'enveloppe de mesure (1) afin que l'atmosphère ambiante existant dans celle-ci en début des mesures soit identique à celle de l'atmosphère extérieure,
- procéder à une initialisation des mesures faites par les capteurs lorsque l'enveloppe de mesure (1) est purgée.
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