Brevet FR2675901A1 — publié le 19921030

Procédé de mesure de la température d'une flamme par mesure des caractéristiques du spectre d'une des bandes de vibration du C02 Le domaine de l'invention est celui des dispositifs et procédés de mesure de température. Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de mesure de la température d'une flamme par mesure des caractéristiques du spectre d'émission infrarouge d'une des bandes de vibration du C02, notammant applicable dans les chambres de combustion pour turbines. La substance brûlée peut être un gaz (méthane, gaz naturel, propane, butane) ou un liquide (pétrole brut ou raffiné). De façon connue, les mesures de température de flammes peuvent être effectuées selon deux classes de méthodes différentes. La première classe de méthodes comprend les méthodes de mesure directe consistant à introduire un corps solide thermométrique dans la flamme. Ce corps solide peut par exemple être un fil métallique ou un couple thermoélectrique. On mesure alors la variation de résistance ou la différence de potentiel entre les liaisons. Les thermocouples présentent cependant l'inconvénient de ne pas résister aux hautes températures. Ainsi, les thermocouples en alliage Pt6Rh - Pt30Rh sont inutilisables au-dessus de 18200C et ceux en alliage 'r - 'r 40Rh au-dessus de 19800C, en fonction de leur température de fusion. Des mesures par thermocouples ne sont donc pas envisageables dans le cas de hautes températures, telles que celles pouvant apparaître dans des chambres de combustion.De plus, les thermocouples donnent des valeurs de mesure sous-estimant la température réelle de la flamme. Les méthodes de mesure directe donnent généralement des valeurs trop faibles par suite des pertes par conduction et par rayonnement qui sont d'autant plus importantes que le diamètre du fil est important et que la température de la flamme est élevée. On observe notamment des sous-estimations de la température réelle de la flamme de l'ordre de 100 à 2000C environ. En outre, les temps de réponse sont relativement longs et ces méthodes ne conviennent donc pas pour effectuer des mesures en milieu turbulent. La deuxième classe comprend les méthodes optiques des mesure à distance et notamment les mesures par spectroscopie infrarouge. La mesure de température est effectuée par l'étude des bandes (si T s 1O000C) ou des raies présentes dans le spectre émis par une flamme. Cette méthode peut être basée sur - les mesures absolues ou relatives d'intensité des raies - sur l'élargissement des raies qui est proportionnel à la température - sur les mesures d'intensité des raies d'émission des bandes de vibration. Cette dernière méthode a été décrite par Jean CRABOL et Olivier MACE dans "mesure de température de flammes par 1'étude des têtes de bandes de l'émission du gaz carbonique", journée d'étude de la Société Française des Thermiciens du 13.12.1989 sur le rayonnement des gaz et des flammes. Ces travaux ont montré qu'il est intéressant de déterminer la température d'une flamme à partir du spectre d'émission du C02, présent en quantité importante dans une flamme. La molécule de dioxyde de carbone est linéaire et symétrique et possède trois fréquences de vibration. J. CRABOL propose d'étudier le spectre d'émission du dioxyde de carbone dans la bande à 4,2 m pour parvenir directement à la valeur de la température du gaz de combustion contenant du C02. La figure 1 représente un spectre d'émission du C02 d'une flamme à la pression atmosphérique avec en abscisses N > m) et en ordonnées l'intensité I du rayonnement. Le spectre s( ) comporte une tête de bande notée, selon la dénomination de Dennison, transition 0001 00 O dont le sommet est environ à 4,17m, et un pic noté 0111 0110 dont le maximum est à environ 4,19 m. Ces deux transitions spectroscopiques correspondent à des têtes de bande d'intensités respectives AB et CD. L'intensité A correspond à la moyenne des intensités calculee sur un certain intervalle de longueurs d'ondes précédant l'apparition de la première transition. L'intensité B correspond au maximum de la première transition. L'intensité C correspond au début de la deuxième transition et l'intensité D au maximum de la deuxième transition. Selon J. CRABOL, la température de la flamme fournissant un tel spectre est donnée par la relation Il est cependant apparu, lors de séries de mesures de températures élevées effectuées par l'inventeur en laboratoire, que la méthode de J. CRABOL ne donne de bons résultats que pour des températures inférieures à 1000C environ pour des flammes à la pression atmosphérique. Pour des températures plus importantes, cette méthode donne des résultats qui ne correspondent pas avec la théorie (températures adiabatiques calculées) ou avec des résultats auxquels on pourrait s'attendre (mesurées par thermocouples corrigés , par spectroscopie de renversement de raies sur des flammes ensemencées,...). Les résultats obtenus sont inférieurs à ceux attendus.Cette méthode est donc uniquement applicable à des mesures de températures relativement basses et ne peut pas s'appliquer à des mesures de températures de flammes dans des chambres de combustion pour turbines dépassant 2000 C. La présente invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients. Plus précisément, un premier objectif de la présente invention est de proposer un procédé de mesure de la température d'une flamme permettant d'obtenir des mesures très précises sur une plage allant de 1000 à 3000 C. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel procédé mettant en oeuvre un dispositif pratique qui puisse être installable à proximité de chambres de combustion. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints grâce à un procédé de mesure de la température d'une flamme par mesure des caractéristiques du spectre d'une des bandes de vibration du C02 à la pression atmosphérique, ledit spectre présentant des pics d'intensité, caractérisé en ce que la température de ladite flamme est donnée de façon optimale par la relation T = a + b. I1 I3 où T = température de la flamme en degrés Celcius a = - 485,33 b = 1534,3 I1 = intensité du pic du signal de spectrométrie à 4,1736 m # 0,0026 m I = intensité du pic du signal de spectrométrie à 4,1869 m # 0,0005 m. lesdites intensités étant mesurées par rapport à ladite valeur de référence correspondant à une valeur moyenne de l'intensité du spectre mesurée sur un intervalle de longueurs d'ondes précédant l'apparition dudit pic d'intensité I1. Avantageusement, ledit spectre est un spectre mesuré à une pression supérieure à la pression atmosphérique et subit préalablement une correction pour tenir compte de l'absorption du rayonnement émis par ladite flamme par le C02 présent sur le trajet optique étudié, ladite correction consistant à - faire pivoter la ligne de pente reliant la fin dudit pic situé à 4,173 P # 0,0026 m au début d'un pic situé à 4,191 P m autour d'un point situé à 4,1841 + m de telle sorte que ladite droite présente une inclinaison correspondant à l'inclinaison de la pente moyenne du signal de spectrométrie obtenu à la pression atmosphérique - effectuer une translation verticale du segment de droite reliant l'intensité maximale dudit pic situé à 4,1869 m # 0,0005 m à ladite droite reliant la fin dudit pic situé à 4,1736 + 0,0026 m au début dudit pic situé à 4,1912 #fl, ladite translation étant effectuée de sorte que ledit segment de droite soit porté par ladite ligne de pente corrigée, l'intensité I3 corrigée correspondant à la distance séparant ladite valeur de référence de la partie supérieure dudit segment. Préférentiellement, le procédé précédant est appliqué à la mesure de températures de flammes dans des chambres de combustion de turbines sous pression. Avantageusement, le dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention comprend une fibre optique infrarouge permettant de guider les rayons optiques générés par ladite flamme vers un monochromateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention, donné à titre explicatif et non limitatif, et des figures annexées dans lesquelles - la figure 1 représente un spectre d'émission du C02 à la pression atmosphérique - la figure 2 représente un spectre d'émission du C02 à la pression atmosphérique sur lequel sont notamment reportés les points permettant d'appliquer le procédé de l'invention - la figure 3 représente un spectre d'émission du C02 sous une pression de 8,6 bars - la figure 4 représente un schéma synoptique du dispositif permettant d'obtenir les spectres d'émission du C02. La figure 1 représente un spectre d'émission du C02 à la pression atmosphérique. Cette figure a été décrite précédemment en référence à la méthode J. CRABOL. La figure 2 représente un spectre d'émission du C02 à la pression atmosphérique sur lequel sont notamment reportés les points permettant d'appliquer le procédé de l'invention. Le spectre s( A ) d'émission du C02 à la pression atmosphérique comprend les deux transitions précédemment définies respectivement notées 20 et 21 et dont les maximums sont situés à environ 4,17 et 4,19tm. En fait, à la pression atmosphérique le premier maximum est plutôt situé à 4,171 + m. La présente invention repose sur l'exploitation d'une caractéristique du spectre s( > ) qui n'avait jusqu'alors jamais été exploitée. Il est en effet apparu que l'intensité I3+Io d'un pic du spectre situé à 4,1864 m permet, combinée à l'intensité de la première transition de longueur d'onde 4,171/CCm, de calculer la température d'une flamme de manière beaucoup plus précise que dans l'état de la technique. Selon l'invention, il est apparu que la température de la flamme est donnée par la relation I1 T = - 485,33 + 1534,3 (1) avec T = température de la flamme en degrés celcius I1 = intensité de la transition de longueur d'onde 4,171 m I3 = intensité du pic de longueur d'onde 4,1864 m, les intensités I1 et 13 étant mesurées par rapport à 10 correspondant à l'intensité moyenne du signal s( ) calculée sur un intervalle de longueur d'onde précédant immédiatement l'apparition de la transition 20. Les valeurs numériques de la relation (1) ont été établies expérimentalement. Ces valeurs permettent d'obtenir une précision optimale de la température d'une flamme.La relation (1) permet de calculer T avec une précision de l'ordre de i 1%. L'intensité I1 de la transition 20 varie en fonction de la température de la flamme. Pour une flamme à 1000 C, I1 est de l'ordre de grandeur de l'intensité moyenne du "plateau" séparant les pics 20 et 21, alors que pour une flamme à 2700 C, I1 est deux fois plus important. Le pic 21 de longueur d'onde 4,1864 m est visible sur le spectre s(#) pour toutes les températures de flamme quel que soit la nature du combustible (gaz ou pétrole). La figure 3 représente un spectre d'émission du C02 sous une pression de 8,6 bars. La position des pics en longueur d'onde est modifiée par l'augmentation de pression. Pour des pressions allant de la pression atmosphérique à 8,6 bars, la première transition passe de 4,171 sous 1 bar à 4,1727 m et le pic de longueur d'onde 4,1864 m sousl bar passe à 4,1869 y4rn. Ce déplacement des longueurs d'onde peut s'interpréter comme une conséquence de l'augmentation de pression par un changement des fréquences vibration-rotation de la molécule de C02. Les longueurs d'onde données pour la relation (1) sont donc à corriger de 0,0017 m pour la première transition et de 0,0003 m pour le pic de longueur d'onde 4,1864 + m, pour ces variations de pression. Bien entendu, pour des pressions plus importantes la correction de la longueur d'onde est également plus grande.Ainsi, pour des pressions allant de la pression atmosphérique à 25 bars, la correction à apporter à la première transition est de l'ordre de # 0,0026 m pour un point milieu situé à 4,l736m et celle à apporter à un pic centré sur 4,1869 m de # 0,0005 m. On note que la position du pic situé à 4,1912 m ne varie pratiquement pas entre la pression atmosphérique et 8,6 bars ; un calcul montre que la variation en longueur d'onde de ce pic ne varie sensiblement pas jusqu'à 25 bars. Lorsque les mesures sont effectuées sur une flamme dans un milieu sous pression, par exemple dans une chambre de combustion d'une turbine, le C02 présent sur le trajet optique étudié absorbe une partie du rayonnement de la flamme et il convient de corriger l'allure du spectre. Cette absorption devient apparente à partir de 4,18 environ et le spectre d'émission du C02 mesuré à l'allure représentée à la figure 3.Cette absorption n'a d'influence que sur la mesure de 13. I1 est donc nécessaire de corriger la mesure effectuée pour déterminer 13 La correction de la mesure effectuée consiste à effectuer les opérations suivantes - tracer une droite D1 reliant d'une part la fin de la première transition dont le maximum est ici à la longueur d'onde 4,1727-Am et d'autre part le début de la transition dont le maximum est à 4,1912 m ;; - faire pivoter la droite D1 autour d'un de ses points situé à 4,1841 m jusqu'à ce que D1 ait la même pente que la valeur moyenne du plateau reliant les transitions situées à 4,1727 et 4,1912m, cette valeur moyenne étant calculée sur une mesure expérimentale sous une pression de 1 bar (pression atmosphérique). Cette droite est notée D2 et fait un angle 0( avec l'horizontale H - mesurer la hauteur AB séparant la pente D1 de l'intensité du pic à 4,1869 m et décaler le segment AB verticalement pour placer le point A sur la droite D2. La translation du point B donne un point B'. L'intensité du pic de longueur d'onde 4,1867m est égale à la distance séparant le point B' de 10 calculé comme précédemment décrit. Le point de pivot à 4,1841 m a été déterminé expérimentalement. C'est à partir de cette longueur d'onde que l'absorption par le C02 atmosphérique devient vraiment sensible. Le procédé de correction de courbe décrit permet de déterminer la température d'une flamme sous pression dégageant du C02. La détermination de température utilisant l'intensité du spectre à 4,1867 présente l'avantage d'être moins sensible à l'absorption par le C02 présent sur le trajet optique qui ne se fait sentir qu'à partir de 4,1841 tm. Dans l'état de la technique précité, il était également nécessaire d'effectuer une correction, mais celle-ci portait sur la transition à 4,1912 > , beaucoup plus absorbée, et donc déformée, par le C02 présent. De plus, il pouvait arriver qu'une raie d'absorption cozncide avec la deuxième transition et entraîne de ce fait une influence importante sur la mesure. La relation (1) n'est bien entendu pas limitative puisqu'il est possible de déterminer une autre relation permettant d'obtenir une température directement à partir d'une courbe non corrigée. Une telle autre relation est par exemple définissable en se basant sur la construction géométrique de la figure 3. La figure 4 représente un schéma synoptique du dispositif permettant d'obtenir les spectres d'émission du C02. Le mode de réalisation du dispositif représenté permet la mesure de la température d'une flamme 44 dans une chambre de combustion 42 d'une turbine 40. La turbine 40 est reliée à la chambre de combustion 42 par une gaine 41. Un brflleur 43 permet de disperser de manière homogène le produit à briller (gaz, liquide). Un ensemble optique 50 isolé de la chambre de combustion 42 par une vanne 45 est fixé sur une tête 51 adaptée sur la chambre de combustion 42. Les faisceaux optiques émis par la flamme 44 pénètrent dans l'ensemble optique 50 comprenant deux hublots 46, 47 en saphir suivis d'une lentille 48 en verre fluoré. Les faisceaux optiques sont concentrés sur l'entrée d'une fibre infrarouge 49 en verre fluoré et guidés vers la fente d'entrée 52 d'un monochromateur 53 à réseau. L'originalité du dispositif est le guidage des ondes infrarouges de la chambre de combustion 42 vers le monochromateur 53. En effet, comme ce guidage est assuré par fibre optique, il est possible de séparer la chambre 42 du monochromateur 53, ce dernier n'ayant plus besoin d'être fixé sur la chambre 42. Les contraintes imposées au monochromateur 53 sont alors moindres, tant du point de vue de sa solidité et de sa résistance à la chaleur que de ses moyens de fixation qui peuvent alors être omis. Le monochromateur 53 a pour fonction de sélectionner une longueur d'onde dans le signal optique incident. Il comporte la fente d'entrée 52, un élément dispersif 54 (notamment un réseau), une fente de sortie 55 et un jeu de miroirs 56, 57 permettant de réfléchir le rayonnement sous des angles idéaux et de sélectionner une longueur d'onde. La sélection d'une longueur d'onde est effectuée en faisant pivoter le réseau 54. Les fentes 52 et 55 ont pour rôle essentiei de permettre l'observation sélective de certaines longueurs d'onde. Après dispersion du signal lumineux incident de la fente d'entrée 52 sur le réseau 54, la fente de sortie 55 ne laisse passer qu'une portion étroite de ce signal. Le monochromateur 53 comporte également un modulateur 63 constitué d'un disque comportant une série d'orifices situés à la même distance du centre du disque. Un moteur 64 commande la rotation du disque 56. L'ensemble 63, 64 constitue un modulateur. Le signal lumineux sortant du monochromateur 53 est admis dans un détecteur 58 constitué par une cellule photovoltaique en antimoniure d' indium (InSb) dont le domaine de réponse couvre l'infrarouge de 1 à 5 9 m. Le signal de sortie est préamplifié par un préamplificateur 59 d'un gain proche de 500. Un amplificateur 60 à détection synchrone amplifie encore ce signal avant de l'envoyer à une table traçante 61. Des moyens de commande 62 du moteur 64 permettent de synchroniser l'amplification du signal issu du préamplificateur 59 pour éliminer le bruit. La table traçante 61 permet d'obtenir un spectre d'émission du C02 correspondant à la température de la flamme 44, du type représenté à la figure 3.La table traçante 61 peut être remplacée par un ordinateur ou une centrale d'acquisition spécifique fournissant directement la valeur de la température de la flamme à partir de la relation (1) et d'une correction automatique préalable. La température mesurée correspond à une température moyenne d'un volume de mesure correspondant à l'ouverture du tube 51. En raison des fluctuations temporelles du signal reçu dues à des fluctuations de la flamme 44, une mesure résulte généralement d'un moyennage sur une certaine période de temps, pouvant être de l'ordre de plusieurs minutes. La pression des gaz dans la chambre de combustion 42 est habituellement de l'ordre de 8 à 12 bars. De plus, comme les dimensions de la flamme sont habituellement plus importantes que lors d'une expérimentation, par exemple sur la flamme d'un bec Bunsen, on observe généralement une quantité de 50 à 100 fois plus élevée de C02 dans un cas réel (mesure du type de la figure 4) que dans un cas expérimental en laboratoire. C'est pourquoi les mesures effectuées présentent des pentes séparant la première transition à 4,1727 / m de la transition à 4,1912 m plus importantes. L'intensité I1 est donc mesurée à 4,1736 m f 0,0026 m et l'intensité I3 à 4,1869 m # 0,0005 m, les valeurs exactes des longueurs d'onde étant fonction de la pression à laquelle se trouve le C02, celle-ci pouvant aller jusqu'à 25 bars. Le procédé de l'invention permet de déterminer la température d'une flamme à f 1% près. I1 est ainsi possible de détecter un défaut de fonctionnement, par exemple une surchauffe locale. Les moyens de visée de la flamme peuvent être dirigés vers différentes zones de la chambre de combustion. Le procédé de l'invention n'est bien entendu pas limité à la mesure de températures dans les chambres de combustion de turbines et peut s'appliquer à toute mesure de température de flamme dégageant du C02. REVEND ICAT IONS 1/ Procédé de mesure de la température d'une flamme par mesure des caractéristiques du spectre d'une des bandes de vibration du C02 à la pression atmosphérique, ledit spectre présentant des pics d'intensité, caractérisé en ce que la température de ladite flamme (44) est donnée de façon optimale par la relation li T = a + b. T = a + b. I3 où T = température de la flamme (44) en degrés Celcius a = - 485,33 b = 1534,3 I1 = intensité du pic (20) du signal de spectrométrie à 4,1736 m f 0,0026 + m I3 = intensité du pic du signal de spectrométrie à 4,1869 m # 0,0005 m. lesdites intensités (I1, I3) étant mesurées par rapport à une valeur de référence (Io) correspondant à une valeur moyenne de l'intensité du spectre mesurée sur un intervalle de longueurs d'ondes précédant l'apparition dudit pic d'intensité I1. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spectre (s( À )) mesuré à une pression supérieure à la pression atmosphérique subit préalablement une correction pour tenir compte de l'absorption du rayonnement émis par ladite flamme par le C02 présent sur le trajet optique, ladite correction consistant à - faire pivoter la ligne de pente (D1) reliant la fin dudit pic (21) situé à 4,1736 m # 0,0026 m au début d'un pic (22) situé à 4,1912 km autour d'un point situé à 4,1841 m de telle sorte que ladite droite (D1) présente une inclinaison correspondant à l'inclinaison de la pente moyenne du signal de spectrométrie obtenu sous 1 bar - effectuer une translation verticale du segment de droite (AB) reliant l'intensité maximale dudit pic situé à 4,1869 + m i 0,0005 m à ladite droite (D1) reliant la fin dudit pic situé à 4,1736 m i 0,0026 m au début dudit pic situé à 4,1912%m, ladite translation étant effectuée de sorte que ledit segment de droite soit porté par ladite ligne de pente corrigée (D2), l'intensité I3 corrigée correspondant à la distance (IoB') séparant ladite valeur de référence (Io) de la partie supérieure (B') dudit segment. 3/ Dispositif de relevé du spectre d'une bande de vibration du C02 présent dans une flamme mettant en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique infrarouge (49) permettant de guider les rayons optiques générés par ladite flamme (44) vers un monochromateur (53).