Brevet FR2640752A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour déterminer la densité d'un gaz. La mesure de la densité d'un gaz est nécessaire pour permettre une détermination précise du débit de ce gaz. Le procédé et l'appareil peuvent ainsi être utilisés pour l'étalonnage sur place des compteurs à gaz. La distribution de gaz utilisé commercialement, tel que le gaz naturel, nécessite l'étalonnage régulier des compteurs qui mesurent la consommation de gaz pour des usages commerciaux ou domestiques. Dans le passé, seuls des équipements lourds, coûteux et complexes (tel que le densimètre Solatnon Modèle 7810) étaient disponibles à cette fin. L'un des buts de cette invention est de proposer un procédé et un appareil amélioré pour déterminer la den- sité d'un gaz. L'écoulement massique subsonique du gaz à travers un orifice ayant une restriction d'écoulement du type "racine carrée" (un venturi par exemple) est une fonction de la racine carrée de la densité. Ainsi, le temps nécessaire pour qu'un gaz s'écoule à partir d'un récipient clos à travers un organe de restriction subsonique dépend de la densité du gaz. L'écoulement peut se faire vers une chambre de référence ou à partir de celle-ci. L'élément nécessaire est un ou plusieurs venturi "racine carrée" ou autres organes de restriction du type "racine carrée". Bien entendu, la pression initiale et la température du gaz dans la chambre de référence doivent être connues de façon précise et être contrôlées durant la montée ou la chute de la pression dans la chambre. Dans le système à chute de pression, la chambre doit être purgée totalement avec le gaz dont l'écoulement est à mesurer avant la mise en oeuvre du procédé pour dé- terminer la densité (et par là, l'écoulement massique) du gaz commercial. Dans le système à montée en pression, la pression dans la chambre doit être ramenée au niveau de la pression atmosphérique avant le début de la mesuré. Dans les deux cas, la densité du gaz est en relation avec l'in- tervalle de temps nécessaire pour que la pression change entre deux niveaux prédéterminés. Une combinaison de venturi subsoniques et soniques peut être utilisée pour obtenir une mesure continue de la densité du gaz. Avec ce procédé, l'écou- lement du gaz à travers l'organe de restriction subsonique est proportionnel à la racine carrée de la densité du gaz, tandis que l'écoulement à travers l'organe de restriction sonique auquel il est couplé est directement proportionnel à la densité. Cela rend possible la mesure continue d'écoule- ment du gaz. Ce système nécessite un étalonnage au moyen de gaz purs ayant des densités différentes. L'organe de restric- tion sonique (venturi) fournit les bases de référence. Le contrôle de la pression du gaz, de la différence de pression dans l'organe de restriction d'écoulement, de la température du gaz dans la chambre de référence, et le calcul de la densité du gaz peuvent être réalisés par un traitement par ordinateur et par des techniques de commande simples. Le système est étalonné initialement au moyen de gaz de référence purs et les valeurs de base sont mises en mémoire dans l'ordinateur mentionné plus haut. Cet ordi- nateur fait aussi la relation entre le temps nécessaire au changement de pression et la densité réelle et fournit les résultats dans le format désiré. Un procédé et un dispositif pour déterminer la densité d'un gaz et mettant en oeuvre l'invention vont main- tenant être décrits, à titre d'exemple, en référence aux dessins schématiques annexés parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma de l'appareil; - la figure 2 est un schéma d'un appareil pour déterminer la densité d'un gaz par un procédé utilisant une montée en pression; - la figure 3 est un schéma de l'appareil pour la détermination semi-continue de la densité d'un gaz dans des conditions de fonctionnement; - la figure 4 est un schéma d'un appareil pour la détermination continue de la densité d'un gaz à une pression inférieure à la pression de ligne; et - la figure 5 est un schéma d'un système à deux chambres pour mesurer la densité d'un gaz par une combi- naison des procédés utilisant une chute de pression et une montée en pression. Sur la figure 1, un gaz dont la densité est à déterminer, est introduit par une canalisation 10 d'entrée de gaz dans un régulateur 12 fournissant en sortie le gaz analysé à une pression prédéterminée. Cette pression est indiquée sur un manomètre 14. Une valve de mise sous pression 16 commandée par ordinateur admet le gaz à la pression pré- déterminée dans le raccord 18. La pression du gaz dans ce raccord 18 est détectée par un transducteur de pression et cette information est fournie à l'ordinateur de com- mande 22 pour traitement. La température du gaz dans le raccord 18 est détectée par un capteur de température 24 et est fournie à l'ordinateur de commande 22 pour traitement. La température et la pression dans le raccord 18 sont, bien entendu, la température et la pression du gaz dans la chambre de référence 26, laquelle a un volume connu ou déterminé. Comme les relations entre la température et la pression d'un gaz sont bien connues, l'ordinateur de commande 22 doit faire et fait effectivement des cor- rections de la lecture de pression pour toutes variations de la lecture de température. Avant que Les données pour La détermination de La densité puissent être prélevées et traitées, la chambre de référence 26 et Le reste du système doivent être purges de tout gaz étranger. On effectue cette opération en ouvrant la valve de purge 28 et La valve d'échappement 30 et en permettant au gaz de s'écouler pendant un court moment de la chambre de référence 26 jusqu'à ce que l'on sache par expé- rience que tout l'air a été chassé du système. La valve de purge 28 et la valve d'échappement 30 peuvent être com- mandées en séquence par l'ordinateur de commande 22, qui assure une fonction de commande séquentielle de même qu'une fonction de prélèvement et de traitement de données. Les valves 28 et 30 sont alors fermées jusqu'à ce que la pression dans la chambre de référence 26 atteigne le niveau initial désiré; la fonction de chronométrage est alors déclenchée simultanément à l'ouverture de la valve 30. La pression et la température dans la chambre de référence 26 sont ensuite commandées, par exemple par l'ordinateur de commande 22, tandis que la pression chute sur une plage de pression adéquate correspondant à celle qui est utilisée pour l'étalonnage initial du système. La décharge du gaz analysé se fait à travers un organe de restriction 32 qui est de préférence, un organe de restriction (venturi) subsonique ayant un diamètre de 0,05 cm (0,020 pouces) qui a un coef- ficient de décharge connu. Le temps nécessaire pour que la pression chute dans la chambre de référence 26 sur la plage de pression déterminée est en relation avec la densité du gaz conformément à l'équation suivante: Kg/sec = 1,755 densité. dp (livres/sec = 3,8687 densité. dp) Eq.1 o dp = plage de chute de pression Des essais faits avec une plage de pression de cm (4 pouces) d'eau (12,5 cm H20 à 2,5 cm H20) et avec une chambre de référence ayant un volume de 0,708 x 10 2m3 (0,25 pied cubique) montrent que le temps varie de 7,55 à 8,95 secondes lorsque la densité spécifique du gaz augmente de 0,5 à 0,7. Cette valeur de différence de temps permet une mesure suffisamment précise de la densité du gaz par le procédé utilisant une chute de pression. On peut faire varier la différence de temps en changeant le volume de la chambre de référence 26 et/ou la taille de l'organe de restriction 32. L'ordinateur de commande 22 a une sortie 34 pour le traçage 2640752 du diagramme de La pression en fonction du temps. En se référant à la figure 2, la corrélation entre la densité du gaz et la vitesse de variation de la pression du gaz à travers un organe de restriction subsonique peut être utilisée lorsque la pression du gaz dans une chambre de référence augmente plutôt que de chuter. Sur la figure 2, un gaz s'écoulant à travers une canalisation 40 de gaz est introduit dans le dispositif de détermination de la densité par une valve à ouverture manuelle 42. La valve 44 et la valve 46 sont ensuite ouvertes pour purger le système des gaz indésirables. Ensuite la valve 46 est fermée. Le régu- lateur 48, qui est couplé à la valve 44, fournit alors le gaz analysé à un niveau dé pression déterminé précisément, (tel que mesuré par le capteur de pression ou le manomètre 50), à un organe de restriction subsonique 52 dans lequel la différence de pression est mesurée par un capteur ou manomètre 54. Le capteur de pression ou manomètre 56 mesure la pression dans la chambre de référence 58 à travers le raccord 59. L'augmentation de cette pression avec le temps est mesurée sur une plage de pression prédéterminée correspondant à celle qui est utilisée pour l'étalonnage. Le tems néces- saire pour que la pression augmente sur cette plage indique la densité du gaz dans la canalisation 40 par l'inter- médiaire de l'équation 1. L'avantage de ce système par rapport à celui de la figure 1 est qu'il nécessite un volume de gaz de purge moindre et que les résultats de densité sont obtenus plus rapidement. Sur la figure 3, la densité du gaz est déter- minée sur une base semi-continue. Sur la figure 3, un moteur 60 à vitesse constante entraîne un piston 62 à une vitesse constante de sorte que le volume situé en amont de l'orifice 64 du type "racine carrée", qui est relié directement à la canalisation 66, change constamment à une vitesse uniforme. La différence de pression de part et d'autre de l'orifice 64, telle qu'elle est mesurée par le capteur ou manomètre 6 2640752 68, lorsque le piston 62 se déplace dans la structure à soufflet 70 (une combinaison d'un diaphragme et d'un souf- flet) varie de zéro jusqu'à une valeur maximale de manière cyclique. En utilisant la vitesse de variation de la pres- sion provoquée par le déplacement du piston 62, on peut dé- terminer la densité du gaz dans la canalisation 66. La température dans la canalisation 66 est mesurée par la jauge ou capteur 72 et la pression du gaz dans la canalisation 66 est mesurée par le manomètre ou capteur de pression 74. Le conduit 76 est un conduit de remplissage de chambre qui sim- plifie l'instrumentation en prévenant des différences de pression négatives. Le gaz est introduit dans la structure à soufflet 70 pour y être comprimé par le conduit 78 comprenant la valve 80. Sur la figure 4, on a représenté un système pour la mesure en continu de la densité d'un gaz. Une valve manuelle 80, lorsqu'elle est ouverte, laisse pénétrer un gaz provenant d'une canalisation 82 dans le système de mesure de densité. La valve 84 peut être com- mandée par un ordinateur de commande tel que représenté sur la figure 1. La sortie de la valve 84 est reliée à un régulateur de pression de précision 86 dont la sortie est reliée à un orifice 88 du type "racine carrée". La sortie de l'orifice 88 du type "racine carrée" est reliée à un venturi sonique 90 qui a sa sortie reliée à l'échappement 92. La température du gaz s'écoulant vers l'organe de restriction venturi 88 du type "racine carrée" est mesurée par une jauge ou capteur 94 et la pression de ce gaz est mesurée par un manomètre ou capteur de pression 96. La différence de pres- sion de part et d'autre de l'orifice ou venturi 88 du type "racine carrée" est mesurée par le manomètre ou capteur 98. Comme ceLa a été mentionné plus haut, l'écou- lement massique subsonique d'un gaz à travers un organe de restriction d'écoulement du type "racine carrée", tel qu'un venturi, est une fonction de la racine carrée de la densité du gaz. L'écoulement massique à travers un "venturi sonique" durant un écoulement sonique, réagit à la densité d'une façon linéaire. En dimensionnant L'orifice subsonique 88 e.t L'ori- fice sonique 90 pour un écoulement prédéterminé à travers l'orifice subsonique 88, tequel écoulement est égal à l'écou- lement sonique à travers l'orifice sonique 90, La différence de pression de part et d'autre de l'orifice 88 varie en fonc- tion directe de la densité du gaz. Une lecture d'une telle différence de pression peut être faite de façon continue et être convertie en une mesure de densité de gaz. La figure 5 représente une variante du dispo- sitif de la figure 1 dans lequel la vitesse de la chute de pression du gaz est utilisée pour déterminer la densité du gaz. Le dispositif représenté sur la figure 5 est le même que celui de la figure 1 pour toute la partie située en amont de la chambre de référence 26. A la sortie de la chambre de référence 26 est connecté un raccord à quatre voies 100 qui est relié à une valve de purge 28, à un organe de restriction 32 du type "racine carrée", et à une cana- lisation de pression 102 qui est reliée par un capteur de pression différentielle ou manomètre 104. L'organe de res- triction ou venturi 32 au lieu de déboucher à l'air libre, comme dans le système de la figure 1, est relié par l'inter- médiaire d'un raccord en T 106 à une seconde chambre 108 qui comprend une valve d'échappement 110. La valve 110 peut être commandée par l'ordinateur de commande, tel que représenté sur la figure 1. La troisième branche du raccord en T 106 est connectée à la prise restante du capteur de pression différentielle ou manomètre 104. La chambre de référence 26 a un volume connu ou déterminé. Elle est couplée au moyen de l'organe de restric- tion subsonique 32 à une seconde chambre 108. La chambre 108 peut être mise en relation avec l'atmosphère en ouvrant La valve 110. La densité du gaz peut ensuite être déterminée selon la procédure suivante: ALimenter en gaz l'entrée 10, par exemple en ouvrant une valve d'alimentation manuelle, non représentée. Ouvrir Les valves 16, 28, 30 et 110 et permettre la purge des chambres 26 et 108 (et du reste du système) suffisamment longtemps pour garantir la présence d'un échantillon de gaz frais dans la chambre 26. Fermer Les valves 28 et 30 et autoriser la montée en pression de la chambre 26 jusqu'à la pression désirée, telle qu'elle est mesurée par le capteur ou mano- mètre 20. Fermer Les valves 16 et 110. Déclencher le méca- nisme de chronométrage et ouvrir la valve 30. Contrôler la différence de pression sur le manomètre ou capteur 104. Lorsque la différence de pression chute sur la plage de pression calibrée (utilisée pour le calibrage initial du dispositif), le temps mis pour la chute de la pression dif- férentielle est en relation avec la densité du gaz. Les avantages de ce mode de réalisation sont les suivants: 1. Pression d'entrée faible. 2. Construction légère. 3. Un régulateur de pression précis n'est pas nécessaire. 4. Une détermination plus rapide de la densité que celle qui peut être obtenue avec le dispositif de la figure 1, pour une précision donnée. L'invention n'est pas limitée aux modes de réa- Lisation qui viennent d'être décrits et elle est susceptible de variantes de réalisation. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer La densité d'un gaz analysé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - établir un canal de communication gazeuse pour le gaz analysé avec une chambre de référence de volume déterminé; disposer un organe de restriction d'écoulement dans le canal de communication gazeuse; et - mesurer la vitesse de variation de pression dans la chambre de référence lorsque le gaz analysé s'écoule à travers le canal de communication gazeuse. 2. Procédé pour déterminer La densité d'un gaz analysé, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - remplir une chambre de référence d'un volume déterminé avec le gaz analysé à une pression déterminée; - laisser se décharger le gaz analysé contenu dans la chambre de référence à travers un organe de restric- tion d'écoulement ayant des caractéristiques d'écoulement connues; et mesurer la chute de pression du gaz analysé dans la chambre de référence sur un intervalle de temps donné. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce qu'il comprend l'étape de purger la chambre de référence au moyen du gaz analysé avant de remplir la chambre de référence jusqu'à une pression prédéterminée avec le gaz analysé. 4. Procédé selon la revendication 1 caracté- risé en ce que le gaz analysé s'écoule dans la chambre de référence à travers le canal de communication gazeuse incluant l'organe de restriction d'écoulement. 5. Procédé de mesure de la densité d'un gaz analysé, caractérisé en ce qu'iL comprend l'étape de mesurer le débit dans le temps du gaz analysé à travers un organe de restriction du type "racine carrée". 6. Appareil pour déterminer la densité d'un gaz 2640752 analysé, caractérisé en ce qu'il comporte: - un canal pour établir une communication gazeuse pour le gaz analysé, ce canal comprenant un organe de res- triction d'écoulement du type "racine carrée"; et - des moyens de mesure pour mesurer le débit du gaz analysé à travers L'organe de restriction d'écoulement. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de référence de volume dé- terminé reliée au canal pour établir une communication gazeuse pour le gaz analysé. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de référence contient le gaz analysé à une pression déterminée initialement, et en ce que les moyens de mesure comprennent des moyens pour déterminer la vitesse de variation de la pression du gaz analysé dans la chambre de référence. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de référence contient du gaz analysé à une pression initiale supérieure à la pression atmosphérique et en ce que les moyens de mesure comprennent des moyens pour déterminer la vitesse de chute de la pression du gaz analysé dans la chambre de référence. 10. Appareil selon la revendication 7, carac- térisé en ce que la chambre de référence contient initia- lement le gaz analysé à la pression atmosphérique et que les moyens de mesure comprennent des moyens pour déterminer la vitesse de l'augmentation de la pression du gaz analysé dans la chambre de référence. 11. Appareil selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le canal pour établir la communication gazeuse comprend un piston pour chasser le gaz à travers l'organe de restriction d'écoulement du type "racine carrée". 12. Appareil selon la revendication 6, carac- térisé en ce que l'organe de restriction d'écoulement est un organe de restriction d'écoulement subsonique. 13. Appareil selon La revendication 12, caracté- risé en ce que L'organe de restriction d'écoulement subsonique a un orifice d'entrée et un orifice de sortie et en ce qu'un organe de restriction sonique est couplé à son orifice de sortie.