WO2017055249A1 - Dispositif et procede pour quantifier un flux d'entite gazeuse au sein d'un milieu poreux - Google Patents

Dispositif et procede pour quantifier un flux d'entite gazeuse au sein d'un milieu poreux Download PDF

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gaseous
physical characteristic
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Amandine PIOT
Timea BEJAT
Mathieu Mariotto
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid

Definitions

  • the present invention relates to the field of quantification of a gaseous entity stream within a porous medium, the gaseous entity being water vapor.
  • the invention finds particular, but not limiting, applications in the fields of building, textiles or even medicine.
  • the invention firstly relates to a device for quantifying a gaseous entity flow in a porous medium, the device comprising:
  • first and second layers being structured so as to be traversed by the gaseous entity flow and made of a material having at least one physical characteristic; varying with the gaseous content in these layers;
  • first means for measuring said physical characteristic in the first layer capable of delivering a first value (Cpi) of the physical characteristic, as well as second measuring means for said first characteristic; physical characteristic within the second layer, capable of delivering a second value (Cp 2 ) of the physical characteristic; and
  • a calculation module configured for:
  • the invention thus proposes a simple and reliable solution making it possible to easily quantify an instantaneous flow of water vapor within a porous medium, based on simple measurements of a physical characteristic of the material constituting the layers, such as electrical resistance. and from intrinsic membrane data whose physical and mass transfer properties are known and / or predeterminable.
  • the invention preferably has at least one of the following optional features, taken singly or in combination.
  • the membrane has a thickness of between 1 ⁇ and 500 ⁇ , and preferably of the order of 250 ⁇ . It is a breathable membrane, preferably a breathable fabric, for example a membrane marketed under the reference Nafion ® by the company DuPont de Nemours.
  • Each first and second layer has a thickness of between 10 ⁇ and 1000 ⁇ , and preferably of the order of 250 ⁇ .
  • Each first and second layer is made of polymer, for example PVA. Many other materials, especially polymers, can be retained without departing from the scope of the invention. Silicon is also an interesting possibility for the invention.
  • Each first and second layer has a grid shape.
  • said grid comprises parallel strips connected at their ends by two opposite bases, said parallel strips defining between them openings for the passage of the gaseous entity.
  • said grid forms two combs arranged opposite and staggered with the aid of first parallel strips connected at one of their ends to a first base and free at the other end, and with the aid of second parallel strips connected at one of their ends to a second base and free at the other end, the first strips defining between them first openings for the passage of the gaseous entity and the second strips defining between them second openings for the passage of the gaseous entity, the free ends of first strips being opposite the second openings and vice versa.
  • said physical characteristic is the electrical resistance
  • each of said first and second measuring means comprises electrodes. These electrodes can be reported on the layers or integrated therein. Alternatively, it may be another electrical characteristic, such as the electrical capacity.
  • said calculation module is preferably configured to determine a first relative humidity (Hri) on the surface of the first layer, from the first value (Cpi ) of the physical characteristic, preferably the electrical resistance of this first layer, and also configured to determine a second relative humidity (Hr 2 ) on the surface of the second layer, from the second value (Cp 2 ) of the characteristic physical, preferably the electrical resistance of this second layer.
  • the calculation module is preferably configured to determine the first water vapor content ( ⁇ ) as well as the second water vapor content ( ⁇ 2 ) from the following relationships:
  • e2 e my x / (l - C + C / Hr 2 ); with:
  • the device comprises a temperature sensor for informing on the temperature (T) of the membrane.
  • Said calculation module is then preferably configured so that the determination of the first relative humidity (Hri) and the second relative humidity (Hr 2 ) takes place as a function of the temperature (T) measured by the temperature sensor, and / or so that for the determination of ⁇ , ⁇ 2 , and J, the values of Q ma> 1 , C, and D are a function of the temperature (T) measured by the temperature sensor and / or the function of the first and second relative humidities (Hri, Hr 2 ). Alternatively, they may be fixed values intrinsic to the membrane.
  • the invention also relates to a building wall equipped with a device as described above for quantifying a flow of water vapor within this wall.
  • the subject of the invention is a method for quantifying a gaseous entity flow in a porous medium implemented using such a device, the gaseous entity being water vapor, and the method comprising the following steps:
  • J Dp (9i - e 2 ) / e; with:
  • FIG. 1 represents a schematic view of a building wall equipped with a device for quantifying the flow of water vapor through this wall, the device being in the form of a first one a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents a logic diagram mentioning the various steps of a method for quantifying the flow of water vapor through the wall, implemented using the device shown in FIG. 1;
  • FIGS. 3 and 4 are respectively similar to FIGS. 1 and 2, with the device being in the form of a second preferred embodiment of the invention
  • 5 and 6 are graphs illustrating the manner of taking into account temperature and relative humidity for the determination of certain parameters useful for the quantification of the flow of water vapor;
  • FIGS. 7a to 7c represent various possible configurations for the layers of the device intended to be arranged on either side of the membrane;
  • FIGS. 8a to 8c show the layers of FIGS. 7a to 7c equipped with electrodes for measuring the electrical resistance;
  • FIG. 9 illustrates in perspective the device comprising layers of the type shown in Figures 7b and 8b, the device being equipped with a holding frame;
  • FIG. 10 is a view similar to that of Figure 9, cut along the line X-X of Figure 9;
  • FIG. 11 shows a perspective view of the device according to an alternative embodiment, generally disc shape
  • Figure 12 is a view similar to that of Figure 11, cut along line XI I -XI I of Figure 11.
  • the device 1 takes the form of a first preferred embodiment of the invention. More specifically, it comprises a detection part 4 which is housed in the wall 2 forming a porous medium, and a treatment part 6 preferably located outside the wall 2.
  • the detection portion 4 comprises a stack of elements among which a breathable membrane 8, on either side of which are arranged a first layer 10a and a second layer 10b.
  • the membrane 8 because of its breathable nature, is permeable to water vapor whose flow must be quantified. In this regard, in FIG. 1, the flow of water vapor within the wall 2 is shown schematically by the arrow 12.
  • This membrane 8 has a thickness of between 1 ⁇ and 500 ⁇ , and preferably of the order 250 ⁇ .
  • This is for example a waterproof-breathable fabric, for example a membrane marketed under the reference Nafion ® by the company DuPont de Nemours.
  • Such a membrane Nafion ® is particularly interesting for the present application in Because of its high permeability to water vapor, the reproducibility of its characteristics, and its low water inertia due to its low thickness.
  • the layers 10a, 10b are in turn plated on the opposite surfaces of the membrane 8.
  • a first interface 14a is therefore defined between the first layer 10a and the membrane 8
  • a second interface 14b is defined between the second layer 10b and this same membrane.
  • Each layer 10a, 10b has a thickness of between 10 ⁇ and 1000 ⁇ , and preferably of the order of 250 ⁇ . They are made of polymer, for example PVA (polyvinyl acetate). Other materials could be retained, the purpose being to have a material having a physical characteristic varying with the water vapor content in the layers 10a, 10b. With the implementation of a polymer material, the electrical resistance of the layers 10a, 10b varies with the water vapor content within them.
  • This material is therefore perfectly suitable for the invention, since it can also be easily structured to be traversed by the steam flow.
  • This structuring preferably takes the form of a grid with openings for the passage of water vapor, as will be detailed with reference to Figures 7a and following.
  • the detection part 4 also comprises first means 16a for measuring a first value Cpi of a physical characteristic of the first layer 10a, here the electrical resistance Ri of this layer 10a.
  • first means 16a for measuring a first value Cpi of a physical characteristic of the first layer 10a, here the electrical resistance Ri of this layer 10a.
  • second means 16b for measuring a second value Cp 2 of the physical characteristic of the second layer 10b, here the electrical resistance R 2 of this layer 10b.
  • the measuring means 16a, 16b have electrodes attached to the free surface of the layers 10a, 10b, or integrated therewith.
  • the electrical resistance values R 1 , R 2 are delivered to the processing part 6 of the device 1, this part essentially comprising a calculation module 20 receiving the aforementioned values R 1, R 2 .
  • the calculation module 20 other values of physical properties and mass of the membrane 8 are also loaded.
  • FIGS. 1 and 2 there will be described the method for quantifying the flow "J" of water vapor in the wall 2, this method being implemented using the device 1.
  • steps E1 and E1 the measurements Ri, R 2 are carried out, which are then transmitted to the module 20.
  • the module 20 determines in a step E2 a first relative humidity Hri on the surface of the first layer 10a.
  • the correlation between the electrical resistance and the relative humidity is known from the state of the art, and used by the module 20 to determine the value Hri from the value Ri.
  • the value Hri also corresponds to the relative humidity in the layer 10a as well as at the first interface 14a with the membrane 8.
  • the module 20 determines in a step E'2 a second relative humidity Hr 2 on the surface of the second layer 10b, this value Hr 2 corresponding also to the relative humidity in the layer 10b and at the second interface 14b with the membrane 8.
  • a first water vapor content ⁇ (kg of steam / kg of membrane) is determined at the first interface 14a from the following relation:
  • a second water vapor content ⁇ 2 (kg water vapor / kg membrane) is determined at the second interface 14b from of the following relation:
  • a step E4 the first and second water vapor contents ⁇ , ⁇ 2 are used by the calculation module 20 for determining the instantaneous flow of water vapor J (kg steam / s / m 2 ), from the following relation:
  • the invention is thus advantageous in that it relies on simple measurements of electrical resistances for determining the hygrometry within the layers 10a, 10b, the hygrometry values being then used for the quantification of the steam flow. water.
  • the detection part 4 also comprises a temperature sensor 22 making it possible to provide information on the temperature T of the membrane 8.
  • This sensor may be in direct contact with the membrane 8, or in contact with one of the layers 10a, 10b.
  • it may be a temperature resistive probe or a thermocouple.
  • the value T of the temperature is delivered to the calculation module 20, during the implementation of a step E0 of the method.
  • the calculation module 20 is configured so that the determination of the first relative humidity Hr 1 and the second relative humidity Hr 2 , in the steps E 2 , E '2, is carried out as a function of the For example, a correction factor can be applied to the initial values H 1 , R 2 obtained by processing the electrical resistance signals R 1 , R 2 , this factor then being dependent on the temperature T.
  • the module 20 can also be programmed so that for the determination of ⁇ , ⁇ 2 , and J, the values of Q ma> 1 , C, and D are a function of the temperature T, and not values set. as in the first preferred embodiment described above.
  • These values of Q ma> l , C, and D may alternatively or simultaneously be a function of the value of the first and second relative humidities Hri, Hr 2 .
  • sorption isotherms characteristic of different types of membranes permeable to a gaseous entity.
  • the sorption isotherm is determined by a moisture content measurement of the membrane at equilibrium, for a precise relative humidity at a given temperature.
  • the value of Q ma> 1 is determined for a relative humidity (hygrometry) of 100%.
  • the set of data of several sorption isotherms made at different temperatures can be captured in a map attached to the treatment part 6, so as to be used in the steps of E3 and E'3 to take into account the temperature and the temperature. relative humidity.
  • the kinetics of the water vapor content of the membrane are represented for a temperature and relative humidity data.
  • FIGS 7a to 7c there are shown three possible configurations for producing layers 10a, 10b.
  • the layer 10a is shown, but the layer 10b should be considered to have the same or similar design.
  • the layers 10a have the form of grids to allow the passage of water vapor in the openings of the grid.
  • the layer 10a comprises parallel strips 40 connected at their ends by two opposite bases 42, perpendicular to the strips 40.
  • the parallel strips 40 define between them openings 44 for the passage of water vapor, these openings being closed at their ends by the bases 42.
  • the layer 10a has only two openings 44, while in Figure 7b, the plurality of bands 42 causes the presence of many openings 44, parallel to each other.
  • Figure 7c differs from the previous ones in that the grid forms two combs 46a, 46b arranged facing and staggered.
  • first parallel strips 40a connected at one of their ends to a first base 42a, the other end remaining free.
  • second strips 40b parallel to the first strips, and connected at one of their ends to a second base 42b, the other end also remaining free.
  • the first bands 40a defining between them first openings 44a for the passage of water vapor
  • the second strips 40b define between them second openings 44b also for the passage of steam.
  • the free ends of the first strips 40a are opposite the second openings 44b, and the free ends of the second strips 40b are opposite the first openings 44a.
  • a transverse opening 48 perpendicular to the strips and separating the two combs 46a, 46b.
  • FIGs 8a to 8c show the arrangement of the electrodes on the layer 10a.
  • the electrodes 50a, 50b are two in number and form an integral part of the first measurement means 16a of the electrical resistance Ri associated with the first layer 10a.
  • each electrode 50a, 50b comprises a base 52a, 52b running along one of the bases 42 of the grid, as well as fingers 54a, 54b running along each band 40.
  • the fingers 54a, 54b are thus arranged in interdigitance.
  • each band 40 does not support two fingers 54a, 54b as in the previous configuration, but only one finger.
  • the fingers 54a, 54b are therefore alternately arranged on the strips 40 of the grid, which still allows to maintain an interdigital layout.
  • each electrode 50a, 50b takes a mirror shape of that of the comb 46a, 46b with which it is associated, always having a base 52a, 52b and fingers 54a, 54b connected to the base.
  • the detection portion 4 of the device 1 has a frame 56 for holding the elements 10a, 10b, 8. This frame 56 travels at the periphery of the stack, having a groove
  • the detection portion 4 has a generally square or rectangular shape, for example a square of about 40 mm side.
  • Figures 11 and 12 show an alternative embodiment on which the general shape is that of a disc.
  • the concept remains the same, so that in Figures 7a to 12, the elements bearing the same reference numerals correspond to identical or similar elements.
  • the strips 40 of the grids are circular, as are the fingers of the electrodes 50a, 50b supported by these circular strips 40.
  • a protection of the detection part 4 is envisaged, in particular with respect to the mechanical stresses related to its integration in situ in the wall / wall of the building.
  • This protection can be a macroporous film, with very little or no resistance to the flow of water vapor.
  • a woven film, made of polymer, for example, can be used.
  • the reference Tyvek ® (compressed fibers) marketed by the company DuPont de Nemours is an ideal solution because this fabric is impermeable to liquid water while remaining very porous to gas.
  • the physical characteristic measured in the embodiments presented corresponds to the electrical resistance, it could alternatively be the electrical capacitance, requiring the implantation of an electrode on each side of each of the two polymer layers 10a, 10b.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) pour quantifier un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux (2), l'entité gazeuse étant de la vapeur d'eau et le dispositif comprenant : - une membrane (8) perméable à l'entité gazeuse; - des première et seconde couches (10a, 10b) agencées de part et d'autre de la membrane (8) et réalisées dans un matériau présentant une caractéristique physique variant avec la teneur en entité gazeuse au sein de ces couches; - des moyens (16a, 16b) délivrant une valeur (Cp1) de la caractéristique physique au sein de la couche (10a), ainsi qu'une valeur (Cp2) de la caractéristique physique au sein de la couche (10b); et - un module de calcul (20) configuré pour déterminer à partir des valeurs (Cp1, Cp2) des teneurs en entité gazeuse (θ1, θ2) au sein des couches (10a, 10b), et pour déterminer le flux d'entité gazeuse (J) à partir de la relation J = D.ρ.(θ1-θ2)/e.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR QUANTIFIER UN FLUX D'ENTITE GAZEUSE
AU SEIN D'UN MILIEU POREUX
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de la quantification d'un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux, l'entité gazeuse étant de la vapeur d'eau.
L'invention trouve des applications particulières, mais non limitatives, dans les domaines du bâtiment, du textile ou encore de la médecine. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
De l'art antérieur, il est connu de nombreux types de capteurs d'humidité relative, notamment des capteurs utilisant des polymères. En effet, en fonction de la valeur de la résistance électrique du polymère, il est possible de déterminer une valeur d'humidité relative. Cependant, aucun de ces capteurs ne permet de fournir une valeur de flux de vapeur d'eau instantané à travers le milieu poreux testé.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Pour répondre au moins partiellement à ce besoin, l'invention a tout d'abord pour objet un dispositif pour quantifier un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux, le dispositif comprenant :
- une membrane perméable à ladite entité gazeuse ;
- une première couche et une seconde couche agencées de part et d'autre de la membrane, lesdites première et seconde couches étant structurées de façon à pouvoir être traversées par le flux d'entité gazeuse et réalisées dans un matériau présentant au moins une caractéristique physique variant avec la teneur en entité gazeuse au sein de ces couches ;
- des premiers moyens de mesure de ladite caractéristique physique au sein de la première couche, capables de délivrer une première valeur (Cpi) de la caractéristique physique, ainsi que des seconds moyens de mesure de ladite caractéristique physique au sein de la seconde couche, capables de délivrer une seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique ; et
- un module de calcul configuré pour :
déterminer à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique une première teneur en entité gazeuse (θι) au sein de la première couche, et déterminer à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique une seconde teneur en entité gazeuse (θ2) au sein de la seconde couche ; et
déterminer le flux d'entité gazeuse (J) à partir de la relation suivante :
J = D.p.(9i-e2)/e ; avec :
J le flux d'entité gazeuse (kg d'entité gazeuse/s/m2),
D le coefficient de diffusion de la membrane (m2/s),
p la masse volumique de la membrane (kg/m3),
e l'épaisseur de la membrane (m),
Θ la teneur en entité gazeuse (kg d'entité gazeuse / kg de membrane).
L'invention propose ainsi une solution simple et fiable permettant de facilement quantifier un flux instantané de vapeur d'eau au sein d'un milieu poreux, à partir de simples mesures d'une caractéristique physique du matériau constituant le couches, comme la résistance électrique, et à partir de données intrinsèques à la membrane dont les propriétés physiques et de transfert de masse sont connues et/ou prédéterminables.
L'invention présente de préférence au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
La membrane présente une épaisseur comprise entre 1 μιη et 500 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη. Il s'agit d'une membrane imper-respirante, de préférence d'un tissu imper-respirant, par exemple une membrane commercialisée sous la référence Nafion® par la société DuPont de Nemours.
Chaque première et seconde couche présente une épaisseur comprise entre 10 μιη et 1000 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη. Chaque première et seconde couche est réalisée en polymère, par exemple en PVA. De nombreux autres matériaux, notamment des polymères, peuvent être retenus, sans sortir du cadre de l'invention. Le silicium constitue également une possibilité intéressante pour l'invention.
Chaque première et seconde couche présente une forme de grille.
Selon une première possibilité, ladite grille comprend des bandes parallèles reliées à leurs extrémités par deux bases opposées, lesdites bandes parallèles définissant entre elles des ouvertures pour le passage de l'entité gazeuse.
Selon une seconde possibilité, ladite grille forme deux peignes agencés en regard et en quinconce à l'aide de premières bandes parallèles reliées à l'une de leurs extrémités à une première base et libres à l'autre extrémité, et à l'aide de secondes bandes parallèles reliées à l'une de leurs extrémités à une seconde base et libres à l'autre extrémité, les premières bandes définissant entre elles des premières ouvertures pour le passage de l'entité gazeuse et les secondes bandes définissant entre elles des secondes ouvertures pour le passage de l'entité gazeuse, les extrémités libres de premières bandes se trouvant en regard des secondes ouvertures et réciproquement.
De préférence, ladite caractéristique physique est la résistance électrique, et chacun desdits premiers et seconds moyens de mesure comprend des électrodes. Ces électrodes peuvent être rapportées sur les couches ou intégrées à celles- ci. Alternativement, il peut s'agir d'une autre caractéristique électrique, comme la capacité électrique.
Toujours dans le cas de la détection d'un flux de vapeur d'eau, ledit module de calcul est de préférence configuré pour déterminer une première humidité relative (Hri) à la surface de la première couche, à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique, de préférence la résistance électrique de cette première couche, et également configuré pour déterminer une seconde humidité relative (Hr2) à la surface de la seconde couche, à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique, de préférence la résistance électrique de cette seconde couche. Ensuite, le module de calcul est de préférence configuré pour déterminer la première teneur en vapeur d'eau (θι) ainsi que la seconde teneur en vapeur d'eau (θ2) à partir des relations suivantes :
6i = emax / (l - C + C/Hri) ; et
e2 = emax / (l - C + C/Hr2) ; avec :
Bmax la teneur maximale en vapeur d'eau dans la membrane (kg de vapeur d'eau/kg de membrane),
C la constante de sorption de la membrane (-),
Hr l'humidité relative (-).
De préférence, le dispositif comporte un capteur de température permettant de renseigner sur la température (T) de la membrane.
Ledit module de calcul est alors de préférence configuré de sorte que la détermination de la première humidité relative (Hri) et de la seconde humidité relative (Hr2) s'effectue en fonction de la température (T) mesurée par le capteur de température, et/ou de sorte que pour la détermination de θι, θ2, et J, les valeurs de Qma>l, C, et D sont fonction de la température (T) mesurée par le capteur de température et/ou fonction des premières et secondes humidités relatives (Hri, Hr2). Alternativement, il peut s'agir de valeurs fixes intrinsèques à la membrane.
L'invention a également pour objet une paroi de bâtiment équipée d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour quantifier un flux de vapeur d'eau au sein de cette paroi.
Enfin, l'invention a pour objet un procédé pour quantifier un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux mis en œuvre à l'aide d'un tel dispositif, l'entité gazeuse étant de la vapeur d'eau, et le procédé comprenant les étapes suivantes :
- déterminer à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique une première teneur en entité gazeuse (θι) au sein de la première couche, et déterminer à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique une seconde teneur en entité gazeuse (θ2) au sein de la seconde couche ; et
- déterminer le flux d'entité gazeuse (J) à partir de la relation suivante : J = D.p.(9i - e2)/e ; avec :
J le flux d'entité gazeuse (kg d'entité gazeuse/s/m2),
D le coefficient de diffusion de la membrane (m2/s),
p la masse volumique de la membrane (kg/m3),
e l'épaisseur de la membrane (m),
Θ la teneur en entité gazeuse (kg d'entité gazeuse / kg de membrane).
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront da ns la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;
- la figure 1 représente une vue schématique d'une paroi de bâtiment équipée d'un dispositif pour quantifier le flux de vapeur d'eau à travers cette paroi, le dispositif se présentant sous la forme d'une premier un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 2 représente un logigramme mentionnant les différentes étapes d'un procédé pour quantifier le flux de vapeur d'eau à travers la paroi, mis en œuvre à l'aide du dispositif montré sur la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 sont respectivement analogues aux figures 1 et 2, avec le dispositif se présentant sous la forme d'un second mode de réalisation préféré de l'invention ;
- les 5 et 6 sont des graphes illustrant la manière de tenir compte de la température et de l'humidité relative pour la détermination de certains para mètres utiles à la quantification du flux de vapeur d'eau ;
- les figures 7a à 7c représentent différentes configurations possibles pour les couches du dispositif destinées à être agencées de part et d'autre de la membrane ; - les figures 8a à 8c représentent les couches des figures 7a à 7c, équipées d'électrodes pour la mesure de la résistance électrique ;
- la figure 9 illustre en perspective le dispositif comprenant des couches du type de celle montrée en figures 7b et 8b, le dispositif étant équipé d'un cadre de maintien ;
- la figure 10 est une vue analogue à celle de la figure 9, coupée selon la ligne X-X de cette figure 9 ;
- la figure 11 représente une vue en perspective du dispositif selon une alternative de réalisation, en forme générale de disque ; et
- la figure 12 est une vue analogue à celle de la figure 11, coupée selon la ligne XI I -XI I de cette figure 11.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS
En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté un dispositif 1 pour quantifier un flux de vapeur d'eau au sein d'une paroi 2 d'un bâtiment, paroi dans laquelle ce dispositif 1 est logé. Le dispositif 1 prend la forme d'un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Plus précisément, il comporte une partie de détection 4 qui est logée dans la paroi 2 formant un milieu poreux, ainsi qu'une partie traitement 6 située de préférence à l'extérieur de la paroi 2.
La partie de détection 4 comprend un empilement d'éléments parmi lesquels une membrane imper-respirante 8, de part et d'autre de laquelle sont agencées une première couche 10a et une seconde couche 10b.
La membrane 8, du fait de son caractère imper-respirant, est perméable à la vapeur d'eau dont le flux doit être quantifié. A cet égard, sur la figure 1, le flux de vapeur d'eau au sein de la paroi 2 est schématisé par la flèche 12. Cette membrane 8 présente une épaisseur comprise entre 1 μιη et 500 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη. Il s'agit par exemple d'un tissu imper-respirant, par exemple une membrane commercialisée sous la référence Nafion® par la société DuPont de Nemours. Une telle membrane Nafion® est particulièrement intéressante pour la présente application en raison de sa forte perméabilité à la vapeur d'eau, de la reproductibilité de ses caractéristiques, et de sa faible inertie hydrique notamment grâce à sa faible épaisseur.
Cependant d'autres matériaux peuvent être utilisés pour la réalisation de la membrane 8, en particulier tous les tissus imper-respirants, comme la référence Gore-Tex® commercialisée par la société W L Gore, Microtech® commercialisée par la société Travis Textiles, Pebax® commercialisée par la société Arkema, Arnitel® commercialisée par la société DSM, Permax® commercialisée par la société Lubrizol, ainsi que l'ensemble des références de tissus imper-respirants citées dans le tableau de la publication « Mukhopadhyay, A. and M. Vinay Kumar, A Review on Designing the Waterproof Breathable Fabrics Part II: Construction and Suitability of Breathable Fabrics or Différent Uses. Journal of lndustrial Textiles, 2008. 38(1): p. 17-41 ».
Les couches 10a, 10b sont quant à elles plaquées sur les surfaces opposées de la membrane 8. Une première interface 14a est donc définie entre la première couche 10a et la membrane 8, et une seconde interface 14b est définie entre la seconde couche 10b et cette même membrane. Chaque couche 10a, 10b présente une épaisseur comprise entre 10 μιη et 1000 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη. Elles sont réalisées en polymère, par exemple en PVA (poly(acétate de vinyle)). D'autres matériaux pourraient être retenus, le but étant de disposer d'un matériau présentant une caractéristique physique variant avec la teneur en vapeur d'eau au sein des couches 10a, 10b. Avec la mise en œuvre d'un matériau polymère, la résistance électrique des couches 10a, 10b varie avec la teneur en vapeur d'eau au sein de celles-ci. Ce matériau s'avère par conséquent parfaitement adapté pour l'invention, étant donné qu'il peut par ailleurs être facilement structuré pour pouvoir être traversé par le flux de vapeur d'eau. Cette structuration prend de préférence la forme d'une grille avec des ouvertures pour le passage de la vapeur d'eau, comme cela sera détaillé en référence aux figures 7a et suivantes.
En raison de la structuration adaptée des couches 10a, 10b et du caractère imper-respirant de la membrane 8, il est admis que le flux de vapeur d'eau 12 circule au travers de la partie de détection 4 du dispositif 1 de la même manière qu'au sein de la paroi 2 formant le milieu poreux à tester. La partie de détection 4 comporte également des premiers moyens 16a de mesure d'une première valeur Cpi d'une caractéristique physique de la première couche 10a, ici la résistance électrique Ri de cette couche 10a. De la même manière, il est prévu des seconds moyens 16b de mesure d'une seconde valeur Cp2 de la caractéristique physique de la seconde couche 10b, ici la résistance électrique R2 de cette couche 10b.
Comme cela sera détaillé ultérieurement, les moyens de mesure 16a, 16b comportent des électrodes rapportées sur la surface libre des couches 10a, 10b, ou bien intégrées à celle-ci.
Les valeurs de résistance électrique Ri, R2 sont délivrées à la partie traitement 6 du dispositif 1, cette partie comprenant essentiellement un module de calcul 20 recevant les valeurs précitées Ri, R2. Dans le module de calcul 20, d'autres valeurs de propriétés physiques et de masse de la membrane 8 sont également chargées.
Il s'agit en particulier de « D » (m2/s) le coefficient de diffusion de la membrane 8 au sens de la loi de Fick, de « C » (sans unité) la constante de sorption de la membrane, de « Qma>l » (kg de vapeur d'eau/kg de membrane) la teneur maximale en vapeur d'eau dans la membrane, de « p » (kg/m3) la masse volumique de la membrane, et de « e » (m) l'épaisseur de la membrane (m).
En référence à présent conjointement aux figures 1 et 2, il va être décrit le procédé pour quantifier le flux « J » de vapeur d'eau dans la paroi 2, ce procédé étant mis en œuvre à l'aide du dispositif 1.
Tout d'abord aux étapes El et E'1, il est réalisé les mesures Ri, R2 qui sont ensuite transmises au module 20.
A partir de la première valeur Ri, le module 20 détermine à une étape E2 une première humidité relative Hri à la surface de la première couche 10a. La corrélation entre la résistance électrique et l'humidité relative est connue de l'état de l'art, et utilisée par le module 20 pour déterminer la valeur Hri à partir de la valeur Ri. D'ailleurs, il est noté que la valeur Hri correspond également à l'humidité relative au sein de la couche 10a ainsi qu'au niveau de la première interface 14a avec la membrane 8.
De manière analogue, le module 20 détermine à une étape E'2 une seconde humidité relative Hr2 à la surface de la seconde couche 10b, cette valeur Hr2 correspondant également à l'humidité relative au sein de la couche 10b ainsi qu'au niveau de la seconde interface 14b avec la membrane 8.
Ensuite, à une étape E3, il est procédé à la détermination d'une première teneur en vapeur d'eau θι (kg de vapeur d'eau / kg de membrane), à la première interface 14a à partir de la relation suivante :
Figure imgf000011_0001
De la même manière, à une étape E'3, il est procédé à la détermination d'une seconde teneur en vapeur d'eau θ2 (kg de vapeur d'eau / kg de membrane), à la seconde interface 14b à partir de la relation suivante :
Figure imgf000011_0002
A une étape E4, les première et seconde teneurs en vapeur d'eau θι, θ2 sont utilisées par le module de calcul 20 pour la détermination du flux instantané de vapeur d'eau J (kg vapeur d'eau/s/m2), à partir de la relation suivante :
Figure imgf000011_0003
Cette quantification du flux de vapeur d'eau J traversant la partie de détection 4 du dispositif 1 correspond ainsi à l'intensité du flux instantané de vapeur d'eau 12 traversant la paroi 2, à proximité de ce dispositif 1.
L'invention est ainsi avantageuse en ce qu'elle repose sur de simples mesures de résistances électriques permettant de déterminer l'hygrométrie au sein des couches 10a, 10b, les valeurs d'hygrométrie étant ensuite utilisées pour la quantification du flux de vapeur d'eau.
Dans un second mode de réalisation illustré sur les figures 3 et 4, la partie de détection 4 comporte également un capteur de température 22 permettant de renseigner sur la température T de la membrane 8. Ce capteur peut être directement au contact de la membrane 8, ou au contact de l'une des couches 10a, 10b. Par exemple, il peut s'agir d'une sonde résistive de température ou d'un thermocouple. La valeur T de la température est délivrée au module de calcul 20, lors de la mise en œuvre d'une étape E0 du procédé.
Dans ce second mode de réalisation préféré, le module de calcul 20 est configuré de sorte que la détermination de la première humidité relative Hri et de la seconde humidité relative Hr2, aux étapes E2, E'2, s'effectue en fonction de la température T. Par exemple, un facteur correctif peut être appliqué aux valeurs initiales Hri, Hr2 obtenues par traitement des signaux de résistances électriques Ri, R2, ce facteur étant alors dépendant de la température T.
De manière analogue, le module 20 peut également être programmé de sorte que pour la détermination de θι, θ2, et J, les valeurs de Qma>l, C, et D soient fonction de la température T, et non des valeurs fixent comme dans le premier mode de réalisation préféré décrit ci-dessus. Ces valeurs de Qma>l, C, et D peuvent alternativement ou simultanément être fonction de la valeur des premières et secondes humidités relatives Hri, Hr2.
A cet égard, en référence à la figure 5, il est représenté des exemples d'isothermes de sorption caractéristiques de différents types de membranes perméables à une entité gazeuse. L'isotherme de sorption est déterminé par une mesure de teneur en vapeur d'eau de la membrane à l'équilibre, pour une humidité relative précise à une température donnée. Chaque courbe (a), (b), (c) correspond donc à un type de membrane précis illustrant un comportement d'absorption caractéristique (seulement trois courbes sont représentées), et la constante de sorption C associée à chaque courbe correspond à la forme de cette courbe, sachant que C=l traduit une variation linéaire de la prise d'eau en fonction de l'humidité relative (courbe (b)). En outre, pour chaque température, la valeur de Qma>l est déterminée pour une humidité relative (hygrométrie) de 100%.
L'ensemble des données de plusieurs isothermes de sorption réalisés à différentes températures peuvent être saisies dans une cartographie attachée à la partie traitement 6, de manière à être utilisées aux étapes de E3 et E'3 pour tenir compte de la température et de l'humidité relative. En référence à la figure 6, il est représenté la cinétique de la teneur en vapeur d'eau de la membrane (masse absorbée de vapeur d'eau par la membrane / masse totale absorbable à l'équilibre en fonction du temps), pour une température et une humidité relative données.
A partir de cette courbe, pour la température et l'humidité relative données, il est possible de déterminer la valeur du coefficient de diffusion D de la membrane (également dénommé coefficient de diffusion Fickien), grâce à la relation suivante :
Figure imgf000013_0001
Sur la figure 6, il a été identifié trois zones de calcul possibles Dl, D2, D3 pour la détermination de la valeur D. Ces trois zones Dl, D2, D3 correspondent à différents moments de la sorption. Usuellement, sur des membranes très fines de l'ordre de la centaine de micromètres, ces phénomènes sont très rapides et c'est le coefficient Dl qui est ainsi retenu dans les calculs.
En élaborant plusieurs graphes analogues pour des températures et humidités relatives différentes, il est possible de disposer d'un ensemble de données corrélant la valeur D à ces deux derniers paramètres. Ces données peuvent être saisies dans une cartographie attachée à la partie traitement 6, de manière à être utilisées à l'étape E4 pour tenir compte de la température et de l'humidité relative pour l'affectation d'une valeur au coefficient D. A titre indicatif, D peut être déterminé pour une valeur H r correspondant à la moyenne des deux valeurs Hri et Hr2.
A présent en référence aux figures 7a à 7c, il est montré trois configurations possibles pour la réalisation des couches 10a, 10b. Sur ces figures, seule la couche 10a est représentée, mais la couche 10b doit être considérée comme présentant une conception identique ou similaire.
Dans les trois configurations, les couches 10a présentent la forme de grilles pour permettre le passage de la vapeur d'eau dans les ouvertures de la grille.
Sur les figures 7a et 7b, la couche 10a comprend des bandes parallèles 40 reliées à leurs extrémités par deux bases opposées 42, perpendiculaires aux bandes 40. Les bandes parallèles 40 définissent entre elles des ouvertures 44 pour le passage de la vapeur d'eau, ces ouvertures étant obturées à leurs extrémités par les bases 42. Sur la figure 7a, la couche 10a présente seulement deux ouvertures 44, tandis que sur la figure 7b, la pluralité de bandes 42 entraîne la présence de nombreuses ouvertures 44, parallèles entre elles.
La configuration de la figure 7c diffère des précédentes en ce que la grille forme deux peignes 46a, 46b agencés en regard et en quinconce. Pour ce faire, il est prévu des premières bandes parallèles 40a reliées à l'une de leurs extrémités à une première base 42a, l'autre extrémité restant libre. De manière analogue, il est prévu des secondes bandes 40b parallèles aux premières bandes, et reliées à l'une de leurs extrémités à une seconde base 42b, l'autre extrémité restant également libre. Les premières bandes 40a définissant entre elles des premières ouvertures 44a pour le passage de la vapeur d'eau, tandis que les secondes bandes 40b définissent entre elles des secondes ouvertures 44b également pour le passage de la vapeur d'eau.
Du fait de l'agencement en regard et en quinconce des deux peignes
46a, 46b, les extrémités libres de premières bandes 40a se trouvent en regard des secondes ouvertures 44b, et les extrémités libres de secondes bandes 40b se trouvent en regard des premières ouvertures 44a. De plus, entre les extrémités libres des bandes 40a, 40b, il est prévu une ouverture transversale 48 perpendiculaire à ce bandes et séparant les deux peignes 46a, 46b.
Les figures 8a à 8c représentent la disposition des électrodes sur la couche 10a. Les électrodes 50a, 50b sont au nombre de deux, et font partie intégrante des premiers moyens de mesure 16a de la résistance électrique Ri, associés à la première couche 10a.
Sur la configuration de la figure 8a, chaque électrode 50a, 50b comporte une base 52a, 52b cheminant le long de l'une des bases 42 de la grille, ainsi que des doigts 54a, 54b cheminant le long de chaque bande 40. Les doigts 54a, 54b sont donc disposés en interdigité.
Sur la configuration de la figure 8b, chaque bande 40 ne supporte pas deux doigts 54a, 54b comme sur la configuration précédente, mais seulement un doigt. Les doigts 54a, 54b sont par conséquent agencés en alternance sur les bandes 40 de la grille, ce qui permet tout de même de conserver une disposition en interdigité.
Sur la configuration de la figure 8c, chaque électrode 50a, 50b prend une forme miroir de celle du peigne 46a, 46b auquel elle est associée, toujours en présentant une base 52a, 52b et des doigts 54a, 54b raccordés à la base.
En référence aux figures 9 et 10, il est montré que la partie de détection 4 du dispositif 1 présente un cadre 56 de maintien des éléments 10a, 10b, 8. Ce cadre 56 chemine à la périphérie de l'empilement, en présentant une rainure intérieure 60 permettant le logement de la périphérie des éléments 10a, 10b, 8. A cet égard, il est noté que la partie de détection 4 présente une forme générale carrée ou rectangulaire, par exemple un carré d'environ 40 mm de côté.
Les figures 11 et 12 montrent une alternative de réalisation sur laquelle la forme générale est celle d'un disque. Dans cette alternative, le concept reste néanmoins le même, de sorte que sur les figures 7a à 12, les éléments portant les mêmes références numériques correspondent à des éléments identiques ou similaires. Il est notamment à noter que dans cette alternative représentée sur les figures 11 et 12, les bandes 40 des grilles sont circulaires, tout comme les doigts des électrodes 50a, 50b supportés par ces bandes circulaires 40.
Quelle que soit la configuration envisagée, une protection de la partie de détection 4 est envisagée, notamment vis-à-vis des sollicitations mécaniques liées à son intégration in situ dans la paroi / le mur du bâtiment.
Cette protection (non représentée) peut être un film macroporeux, présentant une résistance très faible voire nulle au flux de vapeur d'eau. Un film tissé, en polymère par exemple, peut être utilisé. Dans les cas où des risques d'occurrence de condensation sont possibles, la référence Tyvek® (fibres comprimées) commercialisée par la société DuPont de Nemours, constitue une solution idéale car ce tissu est imperméable à l'eau liquide tout en restant très poreux aux gaz.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. En particulier, les modes de réalisation préférés décrits ci-dessus sont en relation avec une paroi de bâtiment, mais l'invention s'applique de manière analogue pour d'autres types de milieux solides et poreux de composition uniforme ou non- uniforme, par exemple des objets du secteur textile ou en rapport avec la médecine, et pour lesquels il existe un besoin de quantifier un flux instantané d'entité gazeuse les traversant.
En outre, si la caractéristique physique mesurée dans les modes de réalisation présentés correspond à la résistance électrique, il pourrait alternativement s'agir de la capacité électrique, nécessitant d'implanter une électrode de chaque côté de chacune des deux couches polymères 10a, 10b.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) pour quantifier un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux (2), ladite entité gazeuse étant de la vapeur d'eau, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- une membrane (8) perméable à ladite entité gazeuse ;
- une première couche (10a) et une seconde couche (10b) agencées de part et d'autre de la membrane (8), lesdites première et seconde couches étant structurées de façon à pouvoir être traversées par le flux d'entité gazeuse et réalisées dans un matériau présentant au moins une caractéristique physique variant avec la teneur en entité gazeuse au sein de ces couches (10a, 10b) ;
- des premiers moyens (16a) de mesure de ladite caractéristique physique au sein de la première couche, capables de délivrer une première valeur (Cpi) de la caractéristique physique, ainsi que des seconds moyens (16b) de mesure de ladite caractéristique physique au sein de la seconde couche, capables de délivrer une seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique ; et
- un module de calcul (20) configuré pour :
déterminer à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique une première teneur en entité gazeuse (θι) au sein de la première couche (10a), et déterminer à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique une seconde teneur en entité gazeuse (θ2) au sein de la seconde couche (10b) ; et
déterminer le flux d'entité gazeuse (J) à partir de la relation suivante :
J = D.p.(9i - 92)/e ; avec :
J le flux d'entité gazeuse (kg d'entité gazeuse/s/m2),
D le coefficient de diffusion de la membrane (m2/s),
p la masse volumique de la membrane (kg/m3),
e l'épaisseur de la membrane (m),
Θ la teneur en entité gazeuse (kg d'entité gazeuse / kg de membrane).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane (8) présente une épaisseur comprise entre 1 μιη et 500 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite membrane (8) est imper-respirante, de préférence un tissu imper- respirant, par exemple une membrane commercialisée sous la référence Nafion® par la société DuPont de Nemours.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque première et seconde couche présente une épaisseur comprise entre 10 μιη et 1000 μιη, et de préférence de l'ordre de 250 μιη.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque première et seconde couche (10a, 10b) est réalisée en polymère, par exemple en PVA.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque première et seconde couche (10a, 10b) présente une forme de grille.
7. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite grille comprend des bandes parallèles (40) reliées à leurs extrémités par deux bases opposées (42), lesdites bandes parallèles définissant entre elles des ouvertures (44) pour le passage de l'entité gazeuse,
ou en ce que ladite grille forme deux peignes (46a, 46b) agencés en regard et en quinconce à l'aide de premières bandes (40a) parallèles reliées à l'une de leurs extrémités à une première base (42a) et libres à l'autre extrémité, et à l'aide de secondes bandes (40b) parallèles reliées à l'une de leurs extrémités à une seconde base (42b) et libres à l'autre extrémité, les premières bandes (40a) définissant entre elles des premières ouvertures (44a) pour le passage de l'entité gazeuse et les secondes bandes (40b) définissant entre elles des secondes ouvertures (44b) pour le passage de l'entité gazeuse, les extrémités libres de premières bandes (40a) se trouvant en regard des secondes ouvertures (44b) et réciproquement.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite caractéristique physique est la résistance électrique, et en ce que chacun desdits premiers et seconds moyens de mesure (16a, 16b) comprend des électrodes (50a, 50b).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit module de calcul (20) est configuré pour déterminer une première humidité relative (Hri) à la surface de la première couche (10a), à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique, de préférence la résistance électrique de cette première couche, et pour déterminer une seconde humidité relative (Hr2) à la surface de la seconde couche (10b), à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique, de préférence la résistance électrique de cette seconde couche.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le module de calcul (20) est configuré pour déterminer la première teneur en vapeur d'eau (θι) ainsi que la seconde teneur en vapeur d'eau (θ2) à partir des relations suivantes :
6i = emax/ (l - C + C/Hri) ; et
e2 = emax/ (l - C + C/Hr2) ; avec :
Bmax la teneur maximale en vapeur d'eau dans la membrane (kg de vapeur d'eau/kg de membrane),
C la constante de sorption de la membrane (-),
Hr l'humidité relative (-).
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de température (22) permettant de renseigner sur la température (T) de la membrane (8).
12. Dispositif selon la revendication 11 combinée à la revendication 9 et/ou à la revendication 10, caractérisé en ce que ledit module de calcul (20) est configuré de sorte que la détermination de la première humidité relative (Hri) et de la seconde humidité relative (Hr2) s'effectue en fonction de la température (T) mesurée par le capteur de température (22), et/ou en ce que pour la détermination de θι, θ2, et J, les valeurs de Qma>l, C, et D sont fonction de la température (T) mesurée par le capteur de température (22), et/ou fonction des premières et secondes humidités relatives (Hri, Hr2).
13. Paroi de bâtiment (2) équipée d'un dispositif (1) pour quantifier un flux de vapeur d'eau au sein de cette paroi selon l'une quelconque des revendications précédentes.
14. Procédé pour quantifier un flux d'entité gazeuse au sein d'un milieu poreux (2) mis en œuvre à l'aide d'un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, l'entité gazeuse étant un flux de vapeur d'eau, et le procédé comprenant les étapes suivantes :
- déterminer à partir de la première valeur (Cpi) de la caractéristique physique une première teneur en entité gazeuse (θι) au sein de la première couche (10a), et déterminer à partir de la seconde valeur (Cp2) de la caractéristique physique une seconde teneur en entité gazeuse (θ2) au sein de la seconde couche (10b) ; et
- déterminer le flux d'entité gazeuse (J) à partir de la relation suivante :
J = D.p.(9i-e2)/e ; avec :
J le flux d'entité gazeuse (kg d'entité gazeuse/s/m2),
D le coefficient de diffusion de la membrane (m2/s),
p la masse volumique de la membrane (kg/m3), e l'épaisseur de la membrane (m),
Θ la teneur en entité gazeuse (kg d'entité gazeuse / kg de membrane).
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