Brevet FR2718848A1 — publié le 19951020

v Procédé pour mesurer le point de rosée ou la concentration d'un gaz, et appareil pour prédire le givrage. La présente invention concerne un procédé pour la mesure indirecte de la concentration ou du point de rosée d'un gaz, procédé dans lequel la concentration relative du gaz fait l'objet d'une mesure directe, et dans lequel on mesure la température d'un élément permettant de mesurer cette concentration relative. L'invention concerne aussi un appareillage pour prédire le givrage. Dans la technique antérieure, on utilise différentes techniques pour mettre en oeuvre la mesure du point de rosée ou de la concentration d'un gaz. Un procédé classique de mesure du point de rosée consiste à refroidir une surface appropriée jusqu'à l'apparition de la rosée, à détecter l'instant d'apparition de la rosée, puis à mesurer la température correspondant à l'instant de la première apparition du dépôt de rosée. Traditionnellement, la surface destinée à détecter la rosée est une surface spéculaire, et on utilise une détection optique pour suivre la rosée sur cette surface. La rosée est détectée par un moyen optique, par exemple à partir de l'affaiblissement de la lumière réfléchie par la surface spéculaire. Parmi les autres procédés ne faisant pas appel à l'optique et utilisés dans l'art de la détection du point de rosée, on peut citer les méthodes capacitives et les procédés qui se fondent sur une mesure de l'atténuation d'une onde acoustique superficielle lancée le long de la surface de la rosée, la surface de la rosée formant une partie d'un circuit de mesure électrique. Les procédés décrits ci-dessus donnent une indication directe de la température correspondant au point de rosée. La précision que l'on peut atteindre est déterminée par la 2 2718848 précision de la détection du point de rosée et par celle de la mesure de la température en surface. Les procédés décrits ci-dessus sont grevés de nombreux inconvénients. Par exemple, une contamination de la surface de mesure de la rosée conduit à des erreurs, même si l'on tente des contre-mesures contre la contamination, par une mesure cyclique et un nettoyage automatique de la surface de référence pour la mesure du point de rosée. Nonobstant ces contre-mesures, les faibles intervalles entre opérations d'entretien, qui sont nécessaires dans les conditions d'utilisation industrielle, réduisent fortement l'intérêt qu'il y a à utiliser ces appareillages. En particulier, une source d'erreur de mesure difficile à détecter est provoquée par la déposition d'une couche de sel sur la surface du détecteur de rosée. Dans des conditions de faible pression partielle et d'une lente évaporation d'une couche d'eau glacée déposée, le temps de réponse devient long (jusqu'à plusieurs minutes), notamment quand le point de rosée est bas. De même, si le détecteur est mouillé lors d'un changement rapide des conditions ambiantes, le temps de récupération risque d'être long. On connaît aussi des procédés qui se fondent sur une mesure indirecte du point de rosée, à partir de l'humidité relative et de la température correspond à l'humidité relative mesurée. Par rapport aux techniques ci-dessus de mesure directe, le procédé indirect présente des avantages tels qu'un faible temps de réponse, un taux réduit de contamination, et la possibilité de travailler à haute température. Le procédé indirect est grevé d'une erreur relativement grande quand l'humidité relative est basse, et par les répercutions gênantes des produits chimiques sur la sensibilité des capteurs qui mesurent l'humidité relative. 3 2718848 Les équipements destinés à prédire le givrage se fondent sur la surveillance de la tendance, avec le temps, que présente la température, et sur une mesure de l'humidité relative au voisinage du zéro de température. Un problème qui grève les performances de ces capteurs réside dans le fait que, en présence d'une grande humidité relative, le capteur d'humidité reste facilement mouillé, en indiquant ainsi une humidité relative de 100 % sur une longue période. La présente invention vise à supprimer les inconvénients des techniques décrites ci-dessus, et à mettre à disposition un procédé entièrement nouveau de mesure du point de rosée, et un appareil pour prédire le givrage. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la température de l'élément mesurant la concentration relative est déplacée de façon que l'élément de mesure puisse fonctionner sur l'intervalle de sensibilité maximale de l'élément. En outre l'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième élément de mesure de la température, distinct du bloc de mesure de l'humidité, pour mesurer la température de l'objet effectif faisant l'objet de la mesure, le bloc de mesure de l'humidité comprenant un moyen de chauffage destiné à chauffer le bloc de mesure à une température supérieure à la température ambiante. L'invention se fonde sur le déplacement de l'intervalle de mesure du capteur, en particulier pour une faible humidité relative, grâce à un refroidissement externe du capteur pour mesurer les humidités relatives élevées et, en conséquence, au voisinage du point de rosée, à déplacer l'intervalle de mesure au moyen d'un chauffage externe du capteur jusqu'à un intervalle donnant la précision maximale de mesure. I 4 2718848 En conséquence, l'appareil pour prédire le givrage se fonde sur une conception de cet appareil de façon qu'il comprenne deux blocs capteurs distincts, le premier bloc capteur comprenant un capteur d'humidité et un capteur de température, tandis que le deuxième bloc, qui doit être placé au point effectif de mesure, ne comportent qu'un capteur de température, et le premier bloc capteur est chauffé à une température supérieure à la température ambiante, pour éviter un mouillage, par condensation, du capteur d'humidité. Le procédé selon l'invention assure un temps de réponse plus bref, une bonne précision, même en présence d'une faible humidité relative, une bonne tolérance aux contaminations, en permettant une mesure précise du point de rosée, même à haute température. Comme le capteur selon l'invention, quand on l'utilise dans les conditions industrielles, n'est soumis à la rosée que pendant l'étape d'étalonnage de la sensibilité du capteur, la contamination du capteur est nettement plus faible que dans les procédés de mesure de la technique antérieure. En conséquence, l'appareil selon l'invention permet de prédire d'une manière efficace le givrage et le début des opérations de dégivrage. Ainsi, le chauffage des zones soumises au givrage, dans les mâts de grande hauteur et les antennes satellites, petu être mis en marche avant la formation de la glace, ce qui évite le risque de chute de blocs de glace. Les services charges de l'entretien des routes peuvent minimiser la consommation de sels de dégivrage, en se fondant sur des rapports plus précis. Les petits avions peuvent se déplacer vers des niveaux de vol plus chauds quand apparaît un signal précoce d'apparition de givre. De plus, à l'aide de l'appareil selon l'invention, on peut éviter une détérioration des aubes des turbines de générateur, qui sont onéreuses. 2718848 L'invention va être décrite plus en détail ci-après à l'aide d'exemples et de formes de réalisation, par référence aux dessins joints, dans lesquels: la figure 1 est un diagramme schématique d'un appareil de mesure du point de rosée, destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 est un diagramme schématique d'un appareil d'alerte précoce du givrage selon l'invention; la figure 3 est un schéma de la structure du capteur utilisé dans l'appareil selon la présente invention; la figure 4 est un schéma de circuit servant à la detection du point de rosée, selon l'invention; et la figure 5 est un graphique illustrant la dépendance réciproque, en fonction du temps, des signaux du circuit présenté sur la figure 4. Par référence à la figure 1, l'ensemble capteur comprend un élément réfrigérant/chauffant 7, un élément capteur d'humidité 3, à couche mince, étant placé sur cet élément et comportant, intégré à l'éléctrode de surface extérieure du capteur, une résistance chauffante 2, de très petite taille qui, dans la présente forme de réalisation, est utilisée comme capteur de point de rosée. En outre, l'ensemble est complété par deux capteurs de température 6 et 7. Le capteur de température externe 7 mesure la température ambiante, tandis que le capteur de température interne 1 mesure la température du capteur d'humidité 3. La structure du capteur est protégée par des barrières anti- humidité 5 qui protègent l'élément Peltier 7 des fumées du procédé faisant l'objet de la mesure. Le capteur d'humidité 3 est d'un type à même d'envoyer un signal de sortie, linéairement proportionnel à la concentration relative du gaz faisant l'objet de la mesure. Dans ce contexte, la "concentration relative" doit être comprise comme étant le rapport de la concentration mesurée du gaz à la concentration à saturation du gaz & la température de 6 2718848 mesure. Les capteurs convenant tout particulièrement à la mesure de la concentration relative d'un gaz comprennent les capteurs d'humidité capacitifs se fondant sur des matériaux polymères. Ces capteurs sont disponibles sur le marché, par exemple sous des marques déposées telles que R HumicapR. La température d'utilisation du capteur d'humidité 3 est déplacée à l'aide d'un élément Peltier 7 vers l'intervalle optimal de température du capteur, et la température du capteur est mesurée à l'aide d'un capteur de température distinct 1. Le point de rosée ambiant (ou celui du procédé) est calculé à partir du résultat de la mesure de l'humidité relative du capteur d'humidité 3 et la température mesurée du capteur d'humidité 3. Si nécessaire, la température ambiante est mesurée à l'aide du capteur de température distinct 6 pour permettre le calcul de l'humidité relative. L'étalonnage du capteur peut être réalisé par exemple comme suit: Les résultats de la mesure d'étalonnage des capteurs d'humidité et de température sont ajustés à un modèle de base, utilisé pour chaque type de capteur. Pour ce qui est de l'étalonnage du capteur d'humidité, on utilise le mode opératoire décrit ci-dessous. La valeur des constantes (kn, TCn et Dn) ci-après est spécifique de chaque type de capteur, et dépend du diamètre extérieur et des matériaux du capteur. Etalonnage de capacité: C = CO + Cl*Urh, o CO et C1 sont les coefficients d'étalonnage, Urh est la tension de sortie du convertisseur capacité-tension. Modèle de calcul d'humidité: C' = (C/Cdry-l)*g o Cdry = 47 7 2718848 g= C" = C' + t*(kl+t*(k3+t*k4)) o t = T-25 kl = -1,0218.10-5 k2 = 1,32355.10-6 k3 = -3,47684.10-9 k4 = -6,34172.10-12 tc = TcO+ Tl*(Tcl+T*(Tc2+T*(Tc3+T*(Tc4+T*Tc5)))) o T = température TcO = 1, 039305424 Tcl = -2,56636.10-3 Tc2 = 5,34072.10-5 Tc3 = -4,93441. 10=7 Tc4 = 5,05655.10-9 Tc5 = -1,12871.101il C"' = 1 + C"*tc Rh = DO + C"'*(Dl+C"'*(D2+C"'*D3)) o DO = 6948,3 Dl = -19190,96 D2 = 17309,86 D3 = -5067,12 L'étalonnage au point zéro est effectué sous un courant d'azote et à la température ambiante. L'étalonnage de la sensibilité est effectué à la température ambiante dans une cellule d'étalonnhage de l'humidité se fondant sur une solution saturée d'un sel, pouvant donner une humidité relative de l'ordre de 90 à 98 %. La température du capteur d'humidité n'est pas régulée, seule est mesurée l'humidité relative, et le signal de sortie du capteur est corrigé sur la base de la différence de température entre celle de la solution saturée du sel et celle du capteur d'humidité. La linéarité 8 2718848 du capteur est étalonnée dans la cellule d'humidité en certains points intermédiaires et, si nécessaire, on modifie la valeur des coefficients D0-D3. L'étalonnage des capteurs de température s'effectue en deux phases. Tout d'abord, on étalonne les deux signaux d'entrée du capteur à l'aide d'un simulateur de capteur, puis on procède à la correction linéaire dans une chambre de tempérture en utilisant au moins deux températures différentes. La dépendance des capteurs d'humidité, vis-à-vis de la température est étalonnée dans la cellule d'humidité à la température ambiante, par utilisation de la commande de température du capteur. La dépendance du point zéro du capteur vis-à-vis de la - température est étalonnée à 0 % d'humidité relative dans un courant d'azote, tandis que l'étalonnage de la sensibilité est effectué à une haute humidité, comprise dans l'intervalle de 60 à 95 % d'humidité relative. Selon l'invention, la température du capteur d'humidité est régulée de façon que le capteur fonctionne dans son intervalle optimal qui, pour le capteur d'humidité capacitif à base d'un polymère tel que mentionné ci-dessus, est de l'ordre de 60 à 80 % d'humidité relative. Ainsi, si l'humidité relative du procédé est comprise entre 80 et 100 %, le capteur va, d'une manière représentative, être chauffé de façon à fonctionner entre ds humidités relatives de 60 et de 80 %. De même, si l'humidité relative est comprise dans l'intervalle de 0 à 60 %, on refroidit le capteur de façon à le faire fonctionner entre 60 et 80 % d'humidité relative ou aussi près que possible de cet intervalle. Pour ce qui est des résultats de mesure du capteur d'humidité relative et de la température, on calcule comme suit la pression partielle Pw du gaz du procédé, et son point de rosée Td: 9 2718848 pw=A. RHa.lO1[ Trh+Ta Td = Tp m -1 (olog(Pw/A)) et, si nécessaire, on peut calculer l'humidité relative du procédé par la formule suivante: Rhp=Rha10 Trh-Ta Tp+Ta)] dans laquelle Rhp = humidité relative en cours de procédé Rha = humidité relative mesurée m = 7,33354 Tp = température du procédé Trh = température du capteur d'humidité Ta = 237,3 C A = 6,1078 L'hysteresis et la dépendance vis-à-vis des produits chimiques sont éliminés comme suit: quand l'humidité du procédé est suprérieure à 50 % en humidité relative, la sensibilité du capteur d'humidité subit un étalonnage automatique, approximativement une fois par jour par un abaissement de la température du détecteur, jusqu'à ce que le capteur d'humidité détecte le point correspondant à une humidité relative de 100 %. La vitesse de mesure est déterminée par le temps de réponse du capteur d'humidité. La vitesse de régulation de la température et de récupération à partir d'un mouillage n'a aucun effet sur la vitesse de mesure. L'intervalle de mesure de l'humidité relative peut être étendu par un abaissement de la température d'utilisation du capteur d'humidité. La précision finale de 2718848 la mesure est déterminée par la précision de la mesure du capteur d'humidité relative et son mode de captage de la température de marche. Bien que les formes de réalisation préférées de l'invention concernent la mesure du point de rosée de l'eau, l'invention peut aussi être utilisée pour mesurer la concentration d'autres gaz condensables (par exemple des solvants). Par référence à la figure 2, l'appareil selon l'invention, destiné à prédire le givrage, est configuré autour d'une unité électronique 10. L'appareil comprend un premier bloc capteur 11 et un deuxième bloc capteur 14, connectés à l'unité électronique 10. Le premier bloc capteur 11 comprend un capteur d'humidité 12 et un capteur - de température 13. En conséquence, le premier bloc capteur peut aussi être appelé bloc de mesure de l'humidité. De plus, le bloc de mesure de l'humidité 11 comprend un élément chauffant 16 destiné à chauffer l'enveloppe 17 du capteur à une température supérieure à la température ambiante. L'élément chauffant 16 est régulé à l'aide de l'unité électronique 10, par envoi d'une puissance constante à la résistance 16 jouant le rôle d'un élément chauffant. Habituellement, il suffit, pour maintenir sec le capteur d'humidité 12, d'élever la température de marche du premier bloc capteur 11, de 2 Kelvin au-delà de la température ambiante. La température de l'objet mesuré proprement dit (température de l'air, mât d'antenne, aile d'avion, turbine, antenne satellite, etc.) est mesurée au moyen du deuxième bloc capteur 14. Le premier bloc capteur 11 et le deuxième bloc capteur 14 sont généralement situés à une distance relativement grande l'un de l'autre. Un signal d'alerte indiquant un éventuel état de givrage, provient de la sortie 15 de l'unité électronique 10. Par référence à la figure 3, un élément capteur d'humidité représentatif, appartenant à la structure de il 2718848 capteur selon l'invention, est formé d'un capteur d'humidité relative à effet capacitif, comprenant des zones de contact 27, 28 et 29, et les électrodes planes 21 et 20 du condensateur capteur. Une couche diélectrique constituée d'un polymère approprié est disposée entre les électrodes et 21, et présente une modification de sa constante diélectrique en fonction de l'humidité. Le bloc de mesure de l'humidité, présenté sur le schéma, peut être par exemple analogue au bloc capteur 12 illustré sur la figure 2. Des éléments résistants 22 et 23 sont intégrés sur le même substrat, avec leurs zones de contact respectives 24, et 26. Les zones des éléments réisstants 22 et 23 sont conçues de façon à présenter des réponses thermiques différentes, pour que, quand on applique une impulsion de tension analogue sur les éléments résistants, le plus petit 22 des éléments résistants soit séché sous l'effet de la chaleur appliqué quand l'élément est mouillé. Cependant, la température superficielle de l'élément résistant 23 le plus grand n'est pas suffisamment haute pour provoquer l'évaporation du condensat par l'effet de chauffage de la même impulsion de tension. Le matériau des éléments résistants 22 et 23 est choisi de façon que la résistance présente la dépendance la plus grande possible vis-à-vis de la température. Par référence à la figure 4, les éléments résistants 22 et 23 sont connectés en pont à des résistances auxiliaires 30 et 31, et une impulsion de tension est appliquée au point 37 du pont. La différence de potentiel entre les points 24 et 26 du pont est amplifiée à l'aide d'un amplificateur différentiel 32, et on obtient un signal de tension à la sortie 38 de l'amplificateur. Le signal obtenu d'un circuit dérivateur formé d'une résistance 35 et d'un condensateur 34 est amplifié à l'aide d'un amplificateur 34, et on obtient au point 36 un signal en sortie de l'amplificateur. 12 2718848 Par référence à la figure 5, les signaux des points 37, 38 et 36 de la figure 4 sont représentés sur la même échelle des temps. Si l'on considère la courbe supérieure, une impulsion de tension est appliquée au pont résistant, qui génère les signaux représentés par la courbe centrale au point 38. La situation correspondant à la courbe en trait plein correspond à la situation sans condensation, tandis que le cas illustré par la courbe en tirets représente une situation dans laquelle la surface du capteur est recouverte d'une couche d'un condensat. En l'absence de condensation, le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 32 subit une modification monotone du fait que les résistances ont des températures différentes en fonction de leur taille et de leur_ résistance proprement dire. Comme le montre la courbe inférieure, ce n'est que dans une situation transitoire que l'on obtient un pic de tension à partir du point 36. EN l'absence de condensation, le pic transitoire n'est obtenu qu'au niveau du bord avant et du bord arrière de l'impulsion de tension appliquée. Dans le cas opposé, dans lequel le capteur est mouillé par le condensat, le séchage de la petite résistance 22 conduit à une augmentation rapide de sa résistance, ce qui crée un pic transitoire au point 38. Le signal transitoire conduit encore à un pic supplémentaire, indicateur de condensation, au niveau de la sortie 36, de sorte que le mouillage du capteur peut être détecté d'une manière positive par deux techniques indépendantes, à savoir le capteur d'humidité relative 20, 21 et la mesure de la résistance. Avantageusement, la configuration décrite ci-dessus est complétée par un élément Peltier, par exemple celui qui est présenté sur la figure 1, cet élément permettant de refroidir la partie capteur d'humidité du bloc capteur jusqu'au point de rosée, pour permettre l'étalonnage. A cette température, le point de rosée peut être détecté par 13 2718848 un captage de la résistance, et le point correspondant à une humidité relative de 100 % peut être déterminé avec une grande précision pour le capteur d'humidité à effet capacitif 20, 21. Comme la structure du capteur comprend aussi le capteur de température 13 représenté sur la figure 2, la sensibilité du capteur d'humidité peut être déterminée à partir du point de rosée étalonné et des informations concernant la température. Si l'humidité relative est grande (supérieure à 85 %), l'étape d'étalonnage peut être effectuée chaque jour. Quand l'humidité est faible (comprise entre 60 et 85 % en humidité relative), un étalonnage hebdomadaire est suffisant. En outre, on peut éliminer la variation de sensibilité du capteur d'humidité à base d'un polymère sous l'effet de solvants, si l'on ajuste l'élément chauffant 7 adapté au capteur d'humidité, tel que présenté sur la figure 1, en élevant provisoirement d'au moins 100 K audelà de la température ambiante, la température du diélectrique, à base d'un polymère, du condensateur de mesure. Ce choc de température expulse du matériau diélectrique les solvants absorbés et rétablit les propriétés du capteur d'humidité. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 14 2718848 Revendications 1. Procédé de mesure indirect de la concentration ou du point de rosée d'un gaz, dans lequel on mesure directement la concentration relative du gaz, et on mesure la température de l'élément (3) mesurant cette concentration relative, caractérisé en ce que la température de l'élément (3) mesurant la concentration relative est déplacée de façon que l'élément de mesure puisse fonctionner dans l'intervalle de sensibilité maximale de l'élément. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de l'élément de mesure (3) de la concentration relative est abaissée aux basses concentrations, pour - amener les conditions de - fonctionnement de l'élément de mesure à un intervalle de mesure correspondant à une plus grande sensibilité. 3. Procédé de mesure du point de rosée de l'eau, selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'humidité relative est mesurée à l'aide d'un capteur d'humidité capacitif (3) à base d'un polymère, et que la température du capteur (3) est abaissée aux basses concentrations pour amener les conditions de l'élément de mesure à l'intervalle de mesure de 60 à 80 % d'humidité relative. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un deuxième capteur (14) de mesure de la température, pour mesurer la température de l'objet réel faisant l'objet de la mesure, et que la structure (11) du capteur de mesure de l'humidité relative est chauffée pour éviter un mouillage du capteur d'humidité (12). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure (11) du capteur de mesure de l'humidité relative est chauffée à une température supérieure d'environ 2 K à la température ambiante. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la structure (11) du capteur de mesure de 2718848 l'humidité relative est chauffée à l'aide d'une puissance constante. 7. Appareil pour prédire le givrage, qui comprend un bloc de mesure de l'humidité (11), lequel comprend un élément de mesure de l'humidité (12) et un élément de mesure de la température (13) disposé au voisinage de l'élément de mesure de l'humidité (12); ainsi qu'un moyen de calcul (10), capable de générer un signal d'alerte de givrage, à partir des signaux de température et d'humidité des éléments ci- dessus, caractérisé en ce que l'appareil comprend un deuxième élément de mesure de la température (14), distinct du bloc de mesure de l'humidité (11) pour mesurer la température de l'objet réel à mesurer, et le bloc de mesure de l'humidité (11) comprend un moyen de chauffage (16) pour chauffer le bloc de mesure à une température supérieure à la température ambiante. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'appareil comprend un moyen de régulation (10) pour chauffer le corps du bloc de mesure de l'humidité (11) à une température d'environ 2 K supérieure à la température ambiante. 9. Appareil selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de régulation (10) pour chauffer le corps du bloc de mesure de l'humidité (11), à puissance constante. 10. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de refroidissement pour refroidir jusqu'au point de rosée le capteur de mesure de l'humidité relative (12), et deux éléments résistants (22, 23) ayant des réponses thermiques différentes, au voisinage du capteur de mesure de l'humidité (20, 21), ce qui permet d'utiliser, pour détecter le point de rosée, un signal pulsé appliqué sur ces éléments résistants. 11. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un élément chauffant destiné à chauffer 16 2718848 provisoirement, à une température dépassant d'au moins K la température ambiante, la couche polymère du capteur de mesure de l'humidité (12).