Brevet FR2448717A1 — publié le 19800905

La présente invention concerne un analyseur de gaz qui utilise la mesure de la vitesse de propagation du son dans un mélange gazeux constitué de gaz carbonique et d'oxygène, afin de déterminer les pourcents en volume ou en poids des deux parties constitutives, sous la seule condition que la température du mélange gazeux soit également connue. L'analyseur de gaz peut être également utilisé lorsque, à côté des deux parties constitutives mentionnées, de la vapeur d'eau est également présente dans une mesure telle que le mélange gazeux est saturé. L'idée de l'invention a été suggéré par la nécessité d'appréhender les pourcentages des deux parties constitutives gazeuses précitées dans un mélange gazeux ternaire saturé de vapeur d'eau, même lorsque la pression et la température sont susceptibles de fluctuer dans une large étendue et notamment lorsque la valeurs de ces pourcentages doivent pouvoir être identifiées dans un laps de temps aussi réduit que possible en comparaison des modifications survenant à ces pourcentages. Le cas particulier aboutissant à cette nécessité se trouve dans la mesure des pourcentages de gaz carbonique et d'oxygène dans le mélange d'admission d'un moteur à combustion interne avec recyclage des gaz d'échappement prévu exclusivement pour l'exploitation sous-marine.La connaissance de ces pourcentages est en effet indispensable afin que le courant d'oxygène à introduire dans le circuit du moteur puisse être réglé de façon telle que le pourcentage de l'oxygène dans le mélange gazeux prenne sa valeur optimale. Les analyseurs de gaz classiques actuellement disponibles, n'offrent pas ces possibilités, et ceci pour les raisons suivantes L'étendue du pourcentage à mesurer ne peut pas être identifiée instantanément et au contraire, on ne peut pas réduire davantage le laps de temps de quelques dix secondes nécessaire à cet effet. L'information sur l'étendue du pourcentage de l'une des parties constitutives du mélange gazeux est étroitement liée à la valeur de la pression correspondante, et en conséquence, cette valeur doit être mesurée avec une précision suffisante. Par ailleurs, la seconde information, c'est-à-dire l'étendue du pourcentage du second gaz doit être appréhendée séparément. Ceci signifie que pour cette deuxième possibilité, on doit disposer de deux analyseurs de gaz, ce qui, de toute évidence, entrante une complication technique et une réduction de la fiabilité. Un mode de fonctionnement exempt de perturbations des analyseurs de gaz classiques, dépend du niveau de la température du mélange gazeux Pour des températures dont la valeur dépasse une certaine limite, les informations susceptibles ddêtre obtenues dans la pratiqueR sont affectées d'erreurs importantes. En outre, les gaz doivent être suffisamment purs. La nécessité de surmonter les difficultés précitées a alors conduit à aborder ce problème selon un principe entièrement différent. En conséquence, l'invention concerne un analyseur de gaz pour la mesurer instantanée des pourcentages des parties constitutives d'un mélange binaire de gaz constitué de gaz carbonique et d'oxygène, ou d'un mélange de gaz ternaire contenant égale- ment de la vapeur d'eau saturante, cet analyseur étant conçu pour l'alimentation en carburant d'un moteur destiné exclusivement à une exploitation sous-marine, analyseur caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de mesure pour mesurer la température T du mélange gazeux, un dispositif de mesure pour mesurer la vitesse de propagation V du son dans le mélange gazeux, et un dispositif de calcul pour calculer la valeur du rapport V/T ou une valeur proportionnelle à ce rapport. La solution obtenue grâce à la présente invention repose sur le principe que la vitesse de propagation du son dans un milieu gazeux continu, dépend des caractéristiques du gaz et de la température9 d'après la relation connue dans laquelle V = vitesse de propagation du son dans le mélange gazeux (m/s t = rapport c gCv de la chaleur spécifique à pression constante sur la chaleur spécifique à volume constant du mélange gazeux, R = constante caractéristique du mélange gazeux (m.s-2. K-1) T = température absolue du mélange gazeux (OK) A partir de la température du mélange gazeux et à partir de la vitesse de propagation du son on peut dériver la valeur de la grandeur # R = V/T qui est une fonction des grandeurs caractéristiques du mélange gazeux, c'est-à-dire des pourcentages des parties constitutives, qui présentent des caractéristiques physiques et thermodynamiques connues. Les valeurs de ces pourcentages sont ainsi susceptibles d'être déterminées directement et simultanément. Dans le cas du mélange gazeux avec deux parties constitutives (gaz carbonique et oxygène) on a, en fait la relation dans laquelle les indices 1 ou 2 se rapportent au premier ou au second gazO tandis que p1 ou p2 représentent les pourcentages en poids du premier ou du second gaz. Le cas du mélange gazeux ternaire qui contient également de la vapeur d'eau saturante avec le pourcentage en poids p3, et pour lequel la relation suivante est valable pour les trois parties constitutives pour etre déduite de façon simple du cas précédent car la valeur de la température permet la détermination de la teneur en eau présente dans le mélange gazeux et, à partir de la température et de la vitesse de propagation du son, les valeurs des pourcentages des deux autres parties constitutives peuvent également être déterminées. La précision des informations susceptibles d'être délivrées par l'analyseur de gaz conforme à l'invention, est en relation étroite et exclusive avec la précision des mesures de la température et de la vitesse de propagation du son. Ces deux grandeurs de mesure peuvent être mesurées à l'aide des moyens disponibles selon l'état moderne de la technique de façon sûre et précise, notamment sans perte de temps notable. Pour faire ressortir les performances les plus intéressantes de l'analyseur de gaz conforme à l'invention, on va notamment mentionner les avantages suivants de cet analyseur L'analyseur de gaz selon l'invention fonctionne pour n'importe quelle pression, le résultat de la mesure étant en outre lui-même indépendant de la pression, - il travaille pour n'importe quelle température pourvu que la valeur de cette température elle-meme soit connue, - il délivre une information extrêmement rapide et précise sur les pourcentages à déterminer, Avec l'information sur la teneur en pourcent d'oxygène il délivre en même temps, également, par différenciation la seconde information (sur la teneur en pourcent de gaz carboni que) - il fonctionne sans perturbation, même dans le cas de gaz non entièrement pur e comme c'est le cas pour le gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne. Dans l'analyseur de gaz conforme à l'invention, le dispositif de mesure pour la mesure de la température est de préférence un détecteur numérique de température. Dans une forme de réalisation préférée de l'objet de l'invention, le dispositif pour mesurer la vitesse de propagation du son dans le mélange gazeux comprend un émetteur d'ultrasons et un récepteur d'ultra-sons. I1 est avantageux que l'émetteur d'ultra-sons soit ici constitué par un générateur pour produire une grandeur électrique alternative à la fréquence des ultra-sons et par un transducteur électroacoustique, et que le récepteur d'ultra-sons soit constitué par un transducteur acoustique électro que, de préférence avec un amplificateur branché à la Suite, et que sa distance par rapport au transducteur électro-acoustique soit constante, tandis qu'un comparateur de phases compare la phase des signaux, délivrés par le générateur pour produire une grandeur électrique alternative à la fréquence des ultra-sons, avec la phase des signaux reçus du transducteur acoustique électrique. Avantageusement, le dispositif de calcul pour calcul ler la valeur du rapport V/T ou bien une valeur proportionnelle à ce rapport, est constitué par un micro-processeur dont les données d'entrée sont constituées par le signal de sortie du thermomètre et le signal de sortie du comparateur de phase Un exemple de réalisation d'un analyseur de gaz conforme à l'invention, va être décrit plus en détail en se référant à la figure unique ci-jointe, l'invention n'étant, bien entendu, pas limitée à cet exemple de réalisation Dans le dessin qui est un schéma par blocs simplifiés il est prévu un détecteur numérique de température 1, qui sert à mesurer la température T d'un mélange gazeux saturé de vapeur d'eau et constitué de gaz carbonique et d'oxygène, trouvant son utilisa- tion comme gaz principal pour l'alimentation en carburant d'un moteur diesels non représenté plus en détail sur le dessin, avec recyclage du gaz d'échappement et destiné exclusivement à une exploitation sous-marine Le sens d'écoulement du mélange gazeux à analyser est indiqué par des flèches Un générateur électrique 2 qui engendre une tension alternative à la fréquence des ultra-sons par exemple à 40 kHz, est relié d'une part à un transducteur électro-acoustique 3, et d'autre part à l'entrée d'un comparateur de phases 4 Les ondes ultra-sonores émises par le transducteur électro-acoustique 3 sont reçues par un transducteur acoustique électrique 5 qui les convertit à nouveau en une tension alternative électrique.Celle-ci est appliquée à l'entrée d'un amplificateur 6, dont la sortie est en liaison avec la seconde entrée du comparateur de phases 4. Le comparateur de phases 4 compare ainsi la phase des signaux délivrés par le générateur 2 avec la phase des signaux reçus du transducteur acoustique électrique 5 et ainsi, puisque les transducteurs 3 et 5 sont à une distance constante l'un de l'autre, le signal à la sortie du comparateur de phases 4 est directement proportionnel à la vitesse V avec laquelle les ondes ultra-sonores se propagent dans le mélange gazeux å analyser. Le signal de sortie du détecteur numérique de température 1 et le signal de sortie du comparateur de phases 4 constituent les principales informations d'entrée pour un microprocesseur 7. La valeur de la grande R, dans l'exemple de réalisation considéré, a été calculée d'avance pour une série discrète de valeurs en pourcent de la teneur en oxygène et de valeurs de la température. Ces valeurs calculées par avance sont emmagasinées dans une mémoire 8. Le micro-processeur 7 calcule le rapport correspondant V2/T = tR, compare cette valeur avec les données contenues dans la mémoire 8 et délivre, en tant que résul-tat de cette comparaison, un signal de sortie numérique qui indique directement la teneur en pourcent d'oxygène. Le signal de sortie numérique du micro-processeur 7 constitue l'information d'entrée pour un dispositif électronique de réglage traitant des données, non représenté plus en détail, qui a pour mission de déterminer la quantité d'oxygène à amener en supplément au mélange gazeux, de façon qu'une composition optimale du mélange gazeux dans la tubulure d'admission soit obtenue Le meme signal de sortie numérique du micro-processeur 7 permet également une lecture directe de la teneur en pourcent d'oxygène et peut, en cas de nécessité, être converti, à l'aide d'un convertisseur numérique-analogique D/A, en un signal analogique correspondant Un dispositif d'étalonnage 9 donne la possibilité d'appliquer au micro-processeur 7 unedonnée d'étalonnage supplé- mentaire qui permet une oompensation de l'analyseur de gaz conforme à l'invention en fonction de la distance constante effective entre les deux transducteurs 3, 5 REVENDICATIONS 10) Analyseur de gaz pour la mesure instantanée des pourcentages des parties constitutives d'un mélange binaire constitué de dioxyde de carbone et d'oxygène ou d'un mélange de gaz ternaire contenant également de la vapeur eau saturante, cet analyseur étant conçu pour l'alimentation en carburant d'un moteur destiné exclusivement à une exploitation sous-marine, analyseur caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif destiné à mesurer la température (T) du mélange gazeux, un dispositif destiné à mesurer la vitesse de propagation (V) du son dans le mélange gazeux, et un dispositif destiné à calculer la valeur du rapport(V2/T) ou une valeur proportionnelle à ce rapport. 20) Analyseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la température du mélange gazeux est de préférence un détecteur numérique de température (1). 30) Analyseur de gaz selon la revendication lff caractérisé en ce que le dispositif de mesure de la vitesse de propagation du son dans le mélange gazeux comprend un émetteur d'ultra-sons (2, 3). 40) Analyseur de gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'émetteur d'ultra-sons (2 3) est constitué par un générateur (2) pour obtenir une grandeur électrique altier native à la fréquence des ultra-sons, et un tranducteur électroacoustique (3). 50) Analyseur de gaz selon la revendication 4D caractérisé en ce qu'il comporte un récepteur d'ultra-sons qui est constitué par un transducteur acoustique électrique (5) avec de préférence un amplificateur (6) branché à la suite la distance de ce récepteur d'ultra-sons par rapport au transducteur électroacoustique étant constante. 60) Analyseur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un comparateur de phases (4) qui compare la phase des signaux délivrés par le générateur (2) prévu pour obtenir une grandeur électrique alternative à la fréquence des ultra-sons avec la phase des signaux reçus du transducteur acoustique électrique (5) 70) Analyseur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce quelle dispositif de calcul de la valeur du rapport (V/T) ou d'une valeur proportionnelle à ce rapports est un micro processeur (7) dont les données d'entré sont représentées par le signal de sortie du détecteur de tempéras ture (1) et par le signal de sortie du comparateur de phases (4)0 80) Analyseur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'étalonnage (9) grâce auquel une information supplémentaire d'étalonnage peut être fournie au micro-processeur (7), cette information permettant une compensation de l'analyseur de gaz en fonction de la distance constante effective entre les deux transi ducteurs (3, 5).