Brevet FR2025844A1 — publié le 19700911

La présente invention concerne les procédés'pour analyser la composition des gaz et les appareils analyseurs de gaz pour la mise en oeuvre de ces procédés. On connatt des procédés chromatographiques de mesure de la composition des gaz basés sur l'absorption du gaz à analyser par un sorbant, suivie par sa désorption, qu on réalise en faisant passer un gaz neutre sur le sorbant. On juge de la composition du gaz analysé d'après la teneur en composants dans un gaz neutre que lTon laisse passer à cette fin dans un détecteur. Ces procédés permettent d'analyser de nombreux mélanges complexes de gaz. Le principal défaut de ces procédés réside dans l'impossibilité de les mettre en oeuvre par des moyens simples. -Les analyseurs qui permettent de mettre en oeuvre ces procédés sont des installations compliquées comprenant des pompes, une bouteille de gaz, des dispositifs à programme, des thermostats des détecteurs complexes. En raison de leur complexité, ces procédés trouvent leur emploi seulement lorsqu'il faut faire l'analyse complète des mélanges complexes. L'autre défaut des procédés indiqués d'analyse et de mesure de la composition des gaz est la nature du signal de sortie qui n'est pas pratique à utiliser dans les dispositifs automatiques. Le chromatogramme obtenu exige une analyse et un déchiffrement. On connaet également des appareils analyseurs des gaz pour la mesure de la composition des gaz, qui comportent au moins un pont de mesure dont lès branches sont formées par des résistances et au moins par une thermistance placée dans le gaz à contrôler. En fonction de la conductibilité thermique du gaz à contrôler, la thermistance réchauffée par le courant qui la parcourt perd une quantité plus ou moins grande de chaleur et sa température varie varie en rapport. La tension aux bornes de la diagonale de mesure du pont, qui est le signal de sortie de l'analyseur de gaz, est proportionnelle à la conductibilité thermique du gaz à contrôler. Ces appareils permettent d'analyser seulement des mélanges simples de gaz comportant deux composants, du fait que la conductibilité thermique d'un mélange complexe est déterminée par la donductibilité thermique de tous les composants qui en font partie. Les autres défauts des analyseurs indiqués résident dans la grande consommation d'énergie et dans ce que le signal de sortie, qui est une tension continue de faible valeur, n T est pas pratique à introduire dans les dispositifs numériques. Conformément à ce qui précède, l'invention a pour but de mettre au point un procédé d'analyse et de mesure de la composition des gaz, en particulier de la concentration de l'humidité, qui assure une sélectivité accrue de l'analyse lors de la détermination de l'un des composants d'un mélange complexe de gaz. Elle vise à réaliser un analyseur pour la mesure de la composition des gaz par le procédé indiqué qui permet, tout en étant de construction relativement simple, de déterminer différents composants d'un mélange de gaz et fournit un signal de sortie facile à introduire dans les dispositifs numériques. L'invention vise à fournir un procédé d'analyse-et de mesure de la composition des gaz, en particulier de la concentration de l'humidité, et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, cet appareil ayant une construction normalisée et un lot d'éléments sensibles dont la connexion séparée permet d'obtenir une sélectivité accrue de l'analyse des différents composants du m4- lange de gaz. Ce problème est résolu par un procédé d'analyse et de mesure de la composition des gaz, en particulier de la; concentration de l'humidité, par absorption du gaz à contrssler-par-un sorbant, suivie par la désorption du gaz et dans lequel, solon l'invention, la désorption du gaz est réalisée par échauffement d'au moins un sorbant jusqu a l'état thermique prescrit qui caractérise la quantité du gaz désorbé, par exemple, jusqu'à une température qui correspond à la désorption maximale et, au cours de l'échauffement, on mesure la durée d'établissement de cet état par laquelle on juge de la concentration des composants du gaz absorbé. Pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus dans un appareil analyseur de gaz comprenant au moins un pont de mesure dont les branches sont formées par des résistances et au moins par une thermistance placée dans le-gaz à contrôler, selon l'invention, ladite thermistance est recouverte d'un sorbant qui absorbe le composant donné du gaz et, dans une diagonale (de mesure) du pont, est intercalé un indicateur de zéro qui envoie un signal lorsque la thermistance a atteint la température prescrite et dans l'autre diagonale -duquel est intercalé un commutateur dont~la fermeture commande l'alimentation du pont et des circuits de commande du commencement de l'échauffement de la thermistance. Le commutateur peut être réalisé comme un élément de réglage du stabilisateur de température de la thermistance, commandé par un indicateur de zéro, ce stabilisateur comportant un dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance. I) est souhaitable que le commutateur comporte un dispositif d'enclenchement automatiqlle à temporisation. L'une des résistances formant avec la thermistance le pont de mesure peut servir de dispositif de fixation du niveau de la température de la thermistance. I1 convient également de réaliser le dispositif de fixation du niveau de la température de la thermistance sous forme d'une thermistance auxiliaire qui réchauffe les gaz au voisinage de la thermistance recouverte d'un sorbant et branchée dans le pont de mesure au lieu de cette dernière pendant le temps qui précède l'opération de mesure de la composition du gaz analysé. On peut résoudre ce probleme lorsqu'on introduit dans le circuit de commande du commencement de l'échauffement de la thermistance, au moins un commutateur qui assure l'obtention d'un signal dont la durée est égale à la durée d'échauffement de la thermistance. Grâce à un tel agencement, l'analyseur proposé est simple, consomme une faible énergie et délivre un signal de sortie facile à transformer de façon à lui donner une forme numérique et le procédé utilisé par cet analyseur assure une sélectivité accrue des analyses. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple: la Fig. I est un schéma électrique de l'analyseur de gaz suivant l'invention; la Fig. 2 est un schéma électrique d'une variante du même analyseur de gaz comportant deux ponts de mesure; la Fig. 3 est un schéma électrique d'une autre variante d'exécution de l'analyseur de gaz proposé avec stabilisatevr de température de la thermistance recouverte dtun sorbant; la Fig. 4 est un schéma électrique d'une quatrième forme dtexé- cution de l'analyseur de gaz, avec une thermistance auxiliaire; la Fig. 5 est un schéma électrique d'une cinq;uime variante d'exécution de ltanalyseur de gaz proposé, comportant deux ponts de mesure et une thermistance auxiliaire; ; la Fig. 6 est une courbe de variation dans le temps de la température de la thermistance recouverte d'un sorbant de l'analyseur de gaz proposé selon la Fig. 3. L'analyseur de gaz pour l'analyse et la mesure de la composition des gaz, selon l'invention, comprend une source 1 (Fig. 1) alimentant un pont de mesure dont les branches sont formées par des résistances 2,3,4 et une thermistance 5 placée dans une chambre 6 avec le gaz à analyser et recouverte d'un sorbant 7 qui absorbe le composant analysé du gaz Au lieu de la résistance 4, on peut utiliser une thermistance choisie de telle façon que, parcourue par le courant, elle ne s'échauffe pratiquement pas. Dans la diagonale de mesure du pont est intercalé un appareil 8 indicateur de zéro qui envoie un signal lorsque la thermistance 5 atteint la température fixée, ce signal étant prélevé sur un circuit 9 de signal de sortie. Dans l'autre diagonale du pont est intercalé un commutateur IO commandé par le circuit 11 du signal extérieur de commande et lors de la fermeture duquel ltalimentation arrive de la source 1 au pont de mesure et au circuit I2 de commande du commencement de l'échauffement de la thermistance 5. Dans la variante décrite d'exécution, les circuits du signal de sortie, du signal extérieur de commande et de commande du commencement de l'échauffement de la thermistance sont désignés sur le dessin par les références 9, 11 et I2. Au cas où la conductibilité thermique du gaz analysé varie entre de larges limites et où il comporte un composant dont I'ab sorption par le sorbant introduit une grande erreur, l'analyseur de gaz proposé, selon la deuxième variante d'exécution, à la différence de la première, comporte deux ponts de mesure. Les branches du second pant sont formées par la thermistance I3 (Fig. 2) et les résistances I4, 3 et 4. La thermistance I3 est recouverte d'un sorbant 15 qui diffère par ses propriétés du sorbant 7 et est placé dans le gaz à analyser. Dans la diagonale de mesure du second pont est intercalé un appareil indicateur de zéro I6 qui émet un signal lorsque la thermis tance 13 atteint la température fixée, ce signal étant prélevé sur le circuit I7 du signal de sortie (ce circuit est désigné sur le dessin par la référence I7). Au cas où la température du gaz à analyser varie entre de larges limites et où il faut analyser plusieurs composantd du gaz à analyser qui diffèrent sérieusement par les températures de déso tion et aussi lorsqu'il faut régler l'analyseur pour différentes limites de mesure, dans l'analyseur selon l'invention d'après la troisième variante d'exécution à la différenee de la première variante, comme indiqué sur la Fig. 3, le commutateur IO est un élément du stabilisateur de température de la thermistance 5 par l'appareil indicateur de zéro 8 et servant d'élément sensible. Le stabilisateur de température de la thermistance 5 comporte un moyen de fixation du niveau de la température de la thermistance 5. Les branches du pont de mesure sont formées par la thermistance 5 et les résistances 2, 4 et I8-20. Le commutateur IO comprend un dispositif 21 d'enclenchement automatique à temporisation réalisé, par exemple, sous forme d'un déclencheur monostable. Dans la variante décrite de l'analyseur de gaz, le dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance 5 est formé par des résistances I9 et 20 shuntées par des commutateurs 22 et 23. Dans le circuit I2 de commande du commencement de l'échauffe- mènt de la thermistance 5 sont intercalés selon le nombre de commutateurs 22 et 23, des commutateurs 24 et 25 qui assurent l'ob- tention des signaux dont la durée est égale à la durée d'échauffement de la thermistance 5. Les commutateurs 23 et 24 comportent un circuit 26 de signal extérieur de commande et les nommutateurs 22 et 25 -comportent un circuit 27 de signal extérieur de commande (sur le dessin ces circuits sont désignés par les références 26 et Au pont de mesure est connecté un élément intégrateur 28 comportant une résistance 29 et un condensateur 30 et dont le signal de sortie est proportionnel à la différence des températures de la thermistance 5 et du gaz à analyser. L'introduction dans le montage de l'analyseur de gaz d'un élément intégrateur 28 assure le contrôle continu de l'état du montage et l'obtention des informations complémentaires sur la température du gaz analysé. Dans la quatrième variante d'exécution de l'analyseur de gaz décrit, à la différence de la troisième variante, il convient de réaliser le dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance 5 sous forme d'une thermistance auxiliaire 31 (Fig. 4) qui réchauffe le gaz contrôlé près de la thermistance 5. La thermistance 31 est un enroulement disposé sur la chambre 6 et branché dans le pont de mesure au lieu de la thermistance 5 pour un temps qui précède l'instant de mesure de la composition du gaz à analyser et connecté avec la thermistance 5 au commutateur )2-. Ce dernier est connecté au pont de mesure et comporte le circuit 33 du signal extérieur de commande (indiqué sur le dessin par la référence 33) qui est commun pour lui et le commutateur 24 inséré dans le circuit I2 de commande du commencement de l'échauffement. Lorsqu'on a besoin d'une action très rapide de l'analyseur de gaz proposé et lorsque la température et la conductibilité thermique du gaz à analyser varient dans de larges limites, il est préférable d'utiliser la cinquième variante d'exécution qui est une combinaison de la deuxième et de la quatrième variante. L'essentiel de cette variante consiste en ce que l'analyseur de gaz décrit, comme indiqué sur la Fig. 5, comporte deux ponts de mesure dont les branches sont formées respectivement par les thermistances 5 et 13 et les résistances 2, 3, 4 et I4, 3, 4. La thermistance I3 est recouverte d'un sorbant 15 qui diffère par ses propriétés du sorbant 7 et est placé dans le az à analyser. Le dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance 5 dans cet analyseur de gaz est constitué par une thermistance auxiliaire 31 dont la destination et la disposition ont été décrites en détail plus haut. Le principe de fonctionnement de l'analyseur de gaz selon le premier mode d'exécution (Fig. 1) est le suivant: Dans les périodes de temps entre les mesures, le-commutateur IO est ouvert et le pont de mesure n'est pas alimenté. Le sorbant 7 qui couvre la thermistance 5, étant en contact avec le gaz à analyser absorbe le composant à analyser, par exemple, l'humidité en une quantité proportionnelle à sa pression partielle. Lors de la mesure du composant, un signal de commande est envoyé depuis le circuit 11 du signal extérieur de commande > lecommutateur IO se ferme et applique au pont de mesure l'alimentation provenant de la source. La thermistance 5 commence à se rd- chauffer et la désorption du composant de gaz absorbé par le sorbant 7 se produit. La dépense de la chaleur pour la désorption ralentit le processus de réchauffement de la thermistance 5. Lorsque la thermistance 5 atteint la température préalablement fixée déterminée par le rapport des résistances de la thermistance 5 et des résistances 2, 3 et 42 la tension aux bornes de la diago nale du pont de mesure diminue jusqu'à une valeur pour laquelle l'appareil indicateur de zéro 8 fonctionne. Le commutateur IO, en fermant le circuit d'alimentation envoie en même temps par le circuit 12 un signal de commencement du réchauffement de la thermistance 5 et l'appareil indicateur de zéro 8 envoie Un signal sur la fin du réchauffement par le circuit 9 du signal de sortie. D'après l'intervalle de temps entre ces signaux, on Juge de la concentration du composant du gaz absorbé. L'action de l'analyseur de gaz est donc basée sur le procédé proposé de mesure de la composition des gaz qui consiste en ce que le sorbant 7 est réchauffé jusqu'à l'état thermique fixé qui caractérise la quantité de gaz désorbé et en mesure du temps d'établissement de cet état. L'état thermique fixé est la température pour laquelle l'appareil indicateur de zéro 8 fonctionne. Cette température est choisie de façon que, lorsqu'elle est atteinte, la désorption maximale du composant absorbé est réalisée. Le fonctionnement de l'analyseur de gaz selon la deuxième variante d'exécution (Fig. 2) est analogue au fonctionnement de l'analyseur décrit ci-dessus avec cette différence que, durant les périodes entre les mesures, est réalisée la sorption des deux composants ou la combinaison des composants du gaz à analyser par les sorbants 7 et I5 portés sur deux thermistances 5 et I3.Après le fonctionnement du commutateur IO simultanément avec la thermistance 5, la thermistance I3 commence à se réchauffer et lorsque cette dernière atteint la température fixée déterminée par le rapport des résistances des branches du pont de mesure comprenant les résistances 3, 4 et 14 et la thermistance I3, l'appareil indicateur de zéro 16 fonctionne et délivre un signal par le circuit 17. On juge de la concentration des composants absorbés du gaz d'après la durée de réchauffement des thermistances 5 et I3 déterminée par les signaux dans les circuits I2, 9 et I2, I7 ou d'après la différence de ces durées déterminée par des signaux dans les circuits 9 et 17. Dans ce dernier cas, la sensibilité augmente considérablement et l'influence des variations de la donductibilité thermique du gaz est compensee. Le fonctionnement de l'analyseur de gaz selon le troisième mode d'exécution (Fig. 3) est le suivant: durant les périodes entre les mesures, les commutateurs 22, 23, 24 et 25 sont ouverts et le rapport des résistances des branches du pont de mesure comprenant les résistances 2, I8-20 et 4 et la thermistance 5 est tel que le pont est équilibré pour une température de la thermistance 5 correspondant à la température de stabilisation choisie un peu supérieure à la température maximale du gaz à contrôler. L'analyseur de gaz fonctionne suivant le régime d'un stabilisateur à deux positions de la température de la thermistance 5. Lors de l'échauffement de la thermistance 5, qui est l'élément sensible du stabilisateur jusqu'à la température de stabilisation, l'appareil indicateur de zéro 8 fonctionne et envoie un signal pour l'ouverture du commutateur IO qui est ltélément régulateur du stabilisateur, et la thermistance 5 commence à se refroidir. Au bout d'un certain temps déterminé par le dispositif 21 d'enclenchement automatique, le commutateur IO ferme le circuit. Ce processus se répète de façon continue jusqu'au commencement de la mesure déterminé par l'envoi d'un signal extérieur de commande par le circuit 26 aux commutateurs 23 et 24. Le commutateur 23 met la résistance 20 en circuit ou hors circuit du pont de mesure et change ainsi le rapport des résistances des branches de ce pont. Alors commence un processus transitoire d'échauffement de la thermistance 5 depuis la température de stabilisation jusqu'à une nouvelle température déterminée par le rapport des résistances des branches du pont de mesure comprenant la thermistance 5 et les résistances 2, 4, I8 et 19. La désorption du composant absorbé du gaz se produit au cours de l'échauffement. L'intervalle de temps depuis l'instant de fermeture du commutateur 24 jusqu'à l'ouverture du commutateur IO est le signal de sortie de l'analyseur de gaz. Lors de l'envoi, après la-fin de ce processus, d'un signal extérieur de commande dans le circuit 27 les commutateurs 22 et 23 f9 ctionnent et dans le circuit du pont de mesure est branehée(ou débranchée) la résistance 19 et un processus transitoire, analogue au processus décrit plus haut, de réchauffement de la thermistance 5 jusqu'd la nouvelle température, se produit avec envoi dans le circuit I2 d'un signal correspondant par le commutateur 25. Le régime de fonctionnement de cette variante d'analyseur de gaz est expliqué par la courbe de variation de la température de la thermistance 5 recouverte d'un sorbant 7, représentée sur la Fig. 6 où, sur l'axe des abscisses est porté le temps (t) et sur l'axe des ordonnées la température (T) de la thermistance 5. Sur cette courbe T désigné la température de stabilisation de la thermistance 5; T1 et T2 désignent les températures auxquelles est chauffée la thermistance 5 au cours de deux étapes consécutives de mesure; tl-et t2 désignent les intervalles de temps de sortie d'après lesquels on évalue les concentrations des composants du gaz qui sont désorbés dans les intervalles de température correspondants. Durant les périodes de temps entre les mesures, la tension ondulée d'alimentation du pont de mesure est appliquée à ltélément intégrateur 28 à la sortie duquel est formé un signal de courant continu proportionnel à la différence entre la température de stabilisation de la thermistance 5 et celle du gaz contr81é. D'après ce signal, on juge de la température du gaz contré et de l'état des circuits électriques de l'analyseur de gaz. Le fonctionnement de l'analyseur de gaz d'après le quatrième mode d'exécution (Fig. 4) est analogue au fonctionnement de l'analyseur selon le troisième mode d'exécution. La différence consiste en ce quej durant les périodes de temps avant le commencement de la mesure dans la branche du pont de mesure, la thermistance auxiliaire 31 est branchée au lieu de la thermistance 5. La résistance de cette dernière est choisie de façon que le pont soit équilibré pour la température de stabilisation fixée. La thermistance auxiliaire 31 réchauffe la thermistance 5 et le gaz à analyser qui entoure cette dernière jusqu'à cette température. Lors de la mesure dans le circuit 33 est envoyé un signal-extérieur de commande. Le commutateur 24 est alors branché, la clé 32 déconnecte de la branche du pont de mesure la thermistance 3I et connecte à sa place la thermistance 5. La résistance de cette dernière a été choisie de façon que le pont de mesure soit équilibré pour la nouvelle température fixée. La durée de réchauffement de la thermistance 5 jusqu a cette température est le signal de sortie de l'analyseur de gaz prélevé à la sortie du commutateur 24 dans le circuit I2. Le fonctionnement de l'analyseur de gaz selon le cinquième mode d'exécution (Fig. 5) est analogue au fonctionnement de l'analy- seur suivant la quatrième mode d'exécution. La différence consiste en ce que, lors de l'envoi du signal ex térieur de commande dans le circuit 33 simultanément avec le remplacement de la thermistance auxiliaire 31 dans la branche du pont de mesure par la thermistance 5, la deuxième thermistance I3 et la résistance I4 formant avec les résistances 3 et 4 un deuxième pont de mesure sont branchées sur le circuit d'alimentation. Les thermistances 5 et 13, comme décrit plus haut, sont couvertes de différents sorbants 7 et 15 et sont chauffées en différents intervalles de temps. Les signaux indiquant le réchauffement des thermistances 5 et I3 jusqu'aux températures fixées sont prélevés par les circuits 9 et I7 sur les sorties des appareils indicateurs de zéro 8 et 16. La réalisation du procédé proposé dans les analyseurs de gaz décrits offre des analyseurs simples, de dimensions réduites, à faible consommation d'énergie, sélectifs et permettant de varier le réglage de l'analyseur pour la mesure d'un nouveau composant par une simple commutation de ltélément sensible. En plus, ces analyseurs permettent simultanément avec l'analyse d'un gaz de mesurer sa température ainsi que de contrer de façon continue la fiabilité du montage. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'analyse et de mesure de la composition des gaz, en particulier de la concentration de l'humidité par absorption du gaz à analyser par des sorbants, suivie par sa désorption, caractérisé en ce que la désorption du gaz est réalisée en réchauffant au moins un sorbant jusqu'à ltétat thermique fixé qui caractérise la quantité du gaz désorbé, par exemple, jusqu'à la température correspondant à la désorption maximale et, au cours de l'échauffement, on mesure le temps d'établissement de cet état, d'après lequel on Juge de la concentration du composant du gaz absorbé. 2 - Appareil analyseur de gaz pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, du type comportant au moins un pont de mesure dont les branches sont formées par des résistances et au moins par une thermistance placée dans le gaz à analyser, caractérisé en cé que la thermistance (5) est recouverte d'un sorbant (7) qui absorbe le composant donné du gaz et dans une diagonale (de mesure) du pont, est connecté un appareil indicateur de zéro (8) qui envoie un signal lorsque la thermistance (5) atteint la température fixée et, dans l'autre diagonale du pont, est connecté un commutateur (IO) lors de la fermeture duquel l'alimentation est appliquée au pont et au circuit I2 de commande du commencement du réchauffement de la thermistance (5). 3 - Appareil analyseur de gaz suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le commutateur (IO) est un élément régulateur commandé par l'appareil indicateur de zéro (8) du stabilisateur de température de la thermistance (5), ce stabilisateur comportant un dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance (5). 4 - Appareil analyseur de gaz suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le commutateur (IO) comporte un dispositif (21) d'enclenchement automatique avec temporisation. 5 - Appareil analyseur de gaz suivant les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le dispositif pour fixer le niveau de la température de la thermistance 5 est constitué par l'une des résistances (I9 ou 20) qui forment avec la thermistance (5) un pont de mesure. 6 - Appareil analyseur de gaz suivant les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le dispositif pour fixer la température de la thermistance (5) est constitué par une thermistance auxiliaire (31) qui réchauffe le gaz à analyser au voisinage de la thermistance (5) recouverte d'un sorbant (7) et branchée dans le pont de mesure au lieu de la thermistance (5) pendant le temps qui précède la mesure de la composition du gaz à analyser. 7 - Appareil analyseur de gaz suivant les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que dans le circuit (12) de commande du commencement du réchauffement de la thermistance (5) est branché au moins encore un commutateur (24 ou 25) qui assure l'obtention d!un signal dont la durée est égale à la durée du réchauffement de la thermistance (5).