Brevet FR2346714A1 — publié le 19771028

La présente invention concerne un procédé de mesure de la masse molaire d'un fluide, des dispositifs de mise en oeuvre du procédé et des applications du dispositif0 On sait qu1en alimentant un oscillateur fluidique, c'est à dire un amplificateur proportionnel fluidique (ou une bascule bistable) sans pièce mobile bouclé par des lignes à retard sonique, par un gaz sous pression on obtient une oscillation de pression à une fréquence proportionnelle en première approximation à la célérité du son dans le gaz Pour un oscillateur donné, cette fréquence d'oscilla- tion varie - avec la température, - avec la masse molaire du gaz, - avec le rapport des chaleurs spécifiques du gaz Cette fréquence dépend également de la pression d'alimentation de l'oscillateur. Le procédé suivant l'invention permet de staffranchir de la température et de la pression et de n'hêtre sensible qu'à la nature du gaz0 Suivant l'invention, on alimente successivement à pression et température constantes un oscillateur fluidique par un fluide-référence de masse molaire connue puis par le fluide de masse molaire inconnue, on recueille les signaux fournis et on les traite de façon à obtenir une mesure qui est comparée à un étalonnage appropriés Le dispositif de mesure comporte un capteur recueillant les signaux fournis par ltoscillateur et délivrant des signaux électriques à un ensemble de traitement analysant lesdits signaux et procurant une mesure, ladite mesure étant comparée à un étalonnage appropriés Le procédé et le dispositif suivant l'invention n1utilisent qulun seul oscillateur fluidique alimenté successivement par les deux fluides0 Cette utilisation permet de s'affranchir de la dispersion de caractéristiques entre deux oscillateurs (phé- nomène Gênant dans les analyseurs à battement) et d'obtenir un et équilibrage plus aisé des températures/bespressionso La commutation des fluides successifs, de préférence des gazJest assurée par une vanne commandée par ensemble de trai temento L'oscillateur est alimenté à pression constante quel que soit le gaz et le signal pneumatique qu'il fournit, est lu par un capteur.Ce capteur peut être quelconque et même de qualité médiocre car la seule information utile est la fréquence d'oscilla- tion de l'oscillateur.fluidiqueo Le cycle de fonctionnement de l'appareil est le suivant, en considérant un appareil numérique a) le circuit de traitement commute la vanne sur le gaz référence b) après un temps d'attente supérieur au temps de vidange des cana lisations en aval de la vanne, l'unité de traitement compte un nombre N1 de périodes d'oscillations (à la fréquence F1) de l'os cillateur fluidique et mémorise le temps T1 nécessaire pour ce comptage c) la vanne est ensuite commutée sur le gaz mesure d) après le temps d'attente pour la vidange des canalisations, l'u nité de traitement compte pendant le temps T1 déterminé en b) le nouveau nombre N2 de périodes d'ocillations, à la fréquence F2, - de ltoscillateur fluidique0 e) l'unité de traitement délivre en sortie un nombre N N = N1 - N2 En analysant les équations, on voit que ou ≈F1, 2 est la fréquence de l'oscillateur alimenté par le Fi, 2 gaz 1 ou 2 2 t1, 2 est le rapport Y du gaz 7 ou 2 (11, 2 est la masse volumique du gaz 1 ou 2 ( M1, 2 est la masse molair-e du gaz 1 ou 2 ( P la pression t K une constante adimensionnelle. Il est évident que T1 = Ni = N2 N2 = Ni # F2 F7 F2 d'où N = N1 - N2 = N1 F1 - F2 F1 On peut déja dire que ce mode de traitement est indépendant de l'oscillateur donc de ses dérivés à moyen et long terme, puisque le nombre Ni est invariant. Si l'on maintient constante la pression des deux gaz et que l'on égalise leur température, un étalonnage convenable de l'appareil permet de faire des mesures de masse moléculaire (le rapport des chaleurs spécifiques est supposé connu) Cette mesure étant faite, on voit qu'il est possible, par un étalonnage convenable - de faire de la discrimination de gaz, exemple : prises murales d'hopitaux et de cliniques - de faire de la mesure de concentration d'un gaz connu dans un autre servant de référence-. i o Discrimination de gaz L'information N peut être convertie en un signal analogique mesuré par un galvanomètre0 En prenant comme gaz référence un gaz connu, de l'o- xygène par exemple, il est possible de discerner différents gaz et de placer sur le cadran du galvanomètre des zones correspondant à divers gaz purs ou à des mélanges en proportions connues, par exemple : oxygène, air, N20, air + n % CO2, azote, SF6, etc... Toutefois, l'appareil ne peut discriminer deux gaz de même masse molaire et de &gamma; très proches : par exemple C02 et N20. 2 Mesure de concentration On peut par exemple doser du C02- dans l'air en prenant comme référence l'air. Le nombre N est alors N = Ni 0 2 C02 dans le mélange. (3 est l'écart relatif des masses volumiques # CO2 - # air = 15 # 0,5 f air On voit qu'en changeant la valeur de Ni, on peut calibrer l'appareil directement en ç de C02 dans l'air. 3. Mesure de masse volumique L'appareil est du même type que le discriminateur de gaz, seule la graduation change. Elle doit tenir compte de la valeur affichée des rapports des chaleurs spécifiques. 4. Asservissement de concentration En variante de 2., le doseur peut entre le capteur d'entrée d'un asservissement destiné à assurer une concentration constante en sortie d'un mélangeur réglé en fonction du signal de sortie du doseurs La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre les avantages de l'invention et l'art de la réaliser, toutes particularités qui ressortent tant de ces figures que du texte rentrant, bien entendu, dans le cadre de ladite invention0 La figure 1 est un schéma illustrant un mode de réa- lisation suivant l'invention0 Les figures 2 et 3 sont des cyclogrammes montrant les différents signaux des évènenents intervenant dans l'unité de traitement pour la mesure de la fréquence de ltoscillateur alimenté respectivement par le fluide référence, et le fluide à analyser. En regard de la figure 1, on peut voir un schéma illustrant un dispositif suivant l'invention utilisant une technique numérique0 Ce mode de réalisation a l'avantage d'être d'une plus grande précision et d'une plus grande stabilité que, par exemple, une réalisation utilisant une technique analogique0 Sur ce schéma, est figuré un oscillateur fluidique 1, qui peut entre un amplificateur proportionnel fluidique tel que décrit dans le brevet français BERTIN & Cie nO 1.403.842 du 14005.1964 bouclé par des lignes à retard soniques.Cet oscillateur 1 est branché successivement sur la source de gaz référence 2 puis la source de gaz à analyser 3 par l'intermédiaire d'une vanne 42 un régulateur de pression 5 inséré dans le circuit assure une alimentation à pression constante du gaz référence et du gaz à analy serO A la sortie de l'oscillateur fluidique 1 est disposé un capteur 6 qui peut entre un microphone, un capteur de pression à jauge de contrainte ou à cristal pîezoélectrique zetc--O Le conditionnement 7 des signaux dudit capteur est un circuit qui est fonction du type de capteur utilisé. Ce circuit peut comprendre un amplificateur et un Trigger de Schmidt pour mise en forme de créneaux à meme fréquence que la fréquence de l'oscillateur fluidique Le dispositif comporte également une horloge 8 constituée par un circuit oscillateur électronique (multivibrateur ou oscillateur à quartz) fonctionnant à une fréquence plus élevée (2 à 4 fois) que la fréquence de l'oscillateur fluidique, de manière à réduire les erreurs d'incertitude de comptages Le signal émis peut servir de signal d'horloge au circuit séquenceur0 Les compteurs A et C recueillent respectivement les signaux émis respectivenent par le conditionnement 7 du capteur 6 et de l'horloge 8o Le compteur A est un compteur-décompteur programmable, afin d'introduire le nombre NI défini plus haut, qui peut entre binaire ou décimal, codé binaire à quatre digits par exemple dans le cas dtaffichage numérique. Le compteur C est un compteur-décompteur destiné à compter pendant le cycle de référence et à décompter pendant le cycle de mesure le mAeme temps T7. Si ce temps T1 doit astre mémorisé pour effectuer plusieurs cycles de mesure, une mémoire tampon D est associées Le compteur C est alors programmable pour lui permettre de recevoir l'information du temps T1 stocké dans le registre tampon avant chaque cycle de mesure. Ces compteurs A et C sont commandés par respectivement des circuits 9 et 10 de contrle de compteur, en fonction de l'état des compteurs et des ordres reçus du séquenceur0 Ils transmettent d'autre part au séquenceur les tests d'état de compteur déclenchant le pas suivant de la séquence, Le circuit de contrôle 9 peut, par exemple, faire passer, en cycle de mesure, le compteur A de décompte à compte si celui-ci passe par zéro si le compteur C ne lla pas encore atteint.L'avantage de cette disposition est de fournir, au signe près qui peut être affiché séparément, une indication numérique proportionnelle à ltécart si on envoie dans le circuit de mesure des gaz respectivement plus lourd et moins lourd que le gaz référence0 Le séquenceur 71 est un circuit réalisant la séquence des opérations a' effectuer et pilotant le fonctionnement des deux circuits de controle de chaque compteur et le circuit de commande 12 de l'électro~vanneO Il peut Autre constitué d'un programmateur à cames à déclenchement successif, ou un compteur à sorties décodées en fonction de la séquence ou un registre à décalage. Le circuit de mémoire B est en fait l'unité de sortie, pilotée par le séquenceur 11. Son signal de sortie peut être numérique, ou analogique par adjonction dùn convertisseur digital analogique. Le fonctionnement du circuit est exposé aux figures 2 et 3 où lton a représenté le cyclogramme des évènements intervenant dans les unités due traitemento En variante, on peut adjoindre une mémoire au compteur-décompteur C, avec une transmission réciproque. Il est ainsi possible de faire un certain nombre de cycles de mesures après chaque cycle de référence. un compteur supplémentaire comptant le mesure - - - nombre de cycles/effectués et assurant le retour au début du cycle référence lorsque ce nombre est atteint. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de lsinventionO En particulier les fonctions de l'unité de traitement peuvent être réalisées par toute autre technique, relevant de l'homme de l'art, par exemple les mesures du temps et du nombre peuvent entre effectuées par des intégrateurs analogiques, intégrant des impulsions calibrées (compteur A), ou une tension constante (compteur C), etc.. Les moyens de régulation ou d'équilibrage de température des fluides avant leur entrée dans l'oscillateur peuvent comprendre un échangeur de chaleur à forte inertie thermique de fa çon à équilibrer les températures des deux fluides. REVENlICATIONS 70 Procédé de mesure de la masse molaire d'un fluide, caractérisé en ce que l'on alimente successivement à pression et température constantes un oscillateur fluidique par un fluide-référence, de masse molaire connue puis par le fluide de masse molaire inconnue, on recueille les signaux fournis et on les traite de fa çon à obtenir une mesure qui est comparée à un étalonnage approprie. 2. 3dispositif de mesure de la masse molaire d'un fluide, caractérisé en ce qutil comporte une source de fluide référence de masse molaire connue et une source cu fluide de masse molaire inconnue, un oscillateur fluidique alimenté à pression et température constantes successivement par le-fluide référence puis par le fluide analysé, un capteur recueillant les signaux fournis par l'oscillateur et délivrant des signaux électriques à un ensemble de traitement ana.lysant des signaux et procurant~une mesure, ladite mesure étant comparée à un étalonnage approprié. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de traitement comporte une horloge, constituée dlun circuit oscillateur électronique fonctionnant à une fréquence plus élevée que la fréquence de l'oscillateur fluidique. 4. Dispositif suivant l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'un circuit séquenceur est inséré dans l'en- semble de traitement. 5. Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un compteur-décompteur conjugué éventuellement à un système de contrôle est associé d'une part à l'horloge et/ou d'autre part au capteur de façon à compter et mettre en mémoire les signaux respectifs. 6. Application suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le procédé et le dispositif sont utilisés à la discrimination de gaz. 7. Application suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le procédé et le dispositif sont utilisés à la mesure de concentration. 8. Application suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le procédé et ledispositif sont utilisés à la mesure de masse volumique0 90 Application suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le procédé et le dispositif sont utilisés comme capteur d'une boucle de régulation de concentration d'un mélange de fluide0