Brevet FR2735236A1 — publié le 19961213

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETERMINATION DU POUVOIR CALORIFIQUE D'UN GAZ PAR VOIE OPTIQUE L'invention concerne un procédé de détermination du pouvoir calorifique d'un gaz par voie optique. Le gaz naturel fourni à des industriels par les sociétés ou organismes qui en sont chargés, comprend essentiellement du méthane et des quantités plus ou moins importantes d'éthane, de butane, de propane, d'autres hydrocarbures en CnH2n+2, de gaz carbonique, d'azote et de vapeur d'eau, sa composition exacte étant variable, ce qui se traduit par des variations de son pouvoir calorifique qui peuvent être de l'ordre de 10%. Les industriels qui utilisent ce gaz ont souvent besoin de connaître son pouvoir calorifique avec précision, pour bien réguler les quantités de chaleur qu'ils obtiennent par combustion de ce gaz et les températures atteintes, et bien optimiser les procédés dans lesquels ces quantités de chaleur et ces températures sont utilisées. Par ailleurs, les sociétés ou organismes qui fournissent le gaz souhaitent également connaître le pouvoir calorifique du gaz pour facturer leurs clients de façon exacte, en leur faisant payer des calories livrées et non des quantités de gaz à pouvoir calorifique variable. Les procédés classiques de mesure du pouvoir calorifique d'un gaz par calorimétrie ou par chromatographie ne donnent pas satisfaction à cet égard, car les mesures à réaliser sont relativement longues (typiquement une dizaine de minutes), elles doivent être effectuées par un personnel relativement nombreux, elles nécessitent un investissement relativement important et elles obligent à des prélèvements de gaz, ce qui peut être relativement délicat, dangereux ou gênant en fonction des débits et des pressions du gaz livré. Pour éviter ces inconvénients, on a déjà proposé (brevet US 4 594 510) un procédé spectroscopique de mesure du pouvoir calorifique d'un gaz, utilisant une source lumineuse qui émet dans l'infrarouge sur une bande relativement large de longueurs d'onde, et des moyens d'analyse spectrale recevant le flux lumineux émis par la source après traversée du gaz et permettant de mesurer l'absorption lumineuse par les composants du gaz dans ladite bande de longueurs d'onde et d'en déduire le pouvoir calorifique du gaz sans qu'il soit nécessaire de connaître sa composition exacte. Ce procédé connu a cependant pour inconvénient une mauvaise précision sur la détermination du pouvoir calorifique, en raison d'un manque de résolution des moyens d'analyse spectrale utilisés. De plus, les calculs à réaliser sont relativement complexes et doivent être optimises. La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de détermination du pouvoir calorifique d'une gaz, qui ne présentent pas ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé et un dispositif du type précité, qui soient sélectifs, précis, rapides, sûrs et fiables. Elle propose à cet effet un procédé de détermination du pouvoir calorifique d'un gaz par voie optique, à partir de la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par les composants du gaz, caractérisé en ce qu'il consiste - à sélectionner préalablement dans le proche infra-rouge une raie d'absorption spécifique de chaque composant du gaz, - à éclairer le gaz par un faisceau lumineux tel par exemple qu'un faisceau laser, ayant une longueur d'onde voisine de celles des raies d'absorption sélectionnées et une largeur spectrale inférieure à celle des raies d'absorption sélectionnées, - à faire varier la longueur d'onde du faisceau lumineux pour balayer les raies d'absorption sélectionnées, - à mesurer l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz aux longueurs d'onde des raies d'absorption sélectionnées et en dehors de ces longueurs d'onde, - à mesurer la pression et la température du gaz, - et à en déduire par calcul les concentrations relatives des composants du gaz et son pouvoir calorifique. Le procédé selon l'invention est particulièrement sélectif, puisque les mesures d'absorption sont faites, pour chaque composant du gaz, sur une raie d'absorption spécifique de ce composant. Ce procédé est également précis et permet la détermination de concentrations très faibles de certains composants, par exemple de quelques parties pour million en volume et même dans certains cas de quelques parties pour milliard en volume.. I1 est rapide, la mesure des concentrations et le calcul du pouvoir calorifique pouvant être réalisés à une fréquence de l'ordre de 10 Hz. I1 est sûr, dans la mesure où des fibres optiques de longueurs relativement importantes peuvent être utilisées pour relier la source lumineuse et les détecteurs à une conduite de gaz. Selon une autre caractéristique de l'invention, le faisceau lumineux utilisé a une largeur spectrale plusieurs fois inférieure à celle des raies d'absorption sélectionnées et le procédé consiste, pour chacune de ces raies d'absorption, à faire varier la longueur d'onde du faisceau lumineux pour balayer la largeur spectrale de la raie et à mesurer plusieurs fois l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz pour plusieurs valeurs de longueur d'onde comprises dans ladite raie d'absorption. On améliore ainsi la précision et la sélectivité du procédé selon l'invention. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé consiste également à éclairer le gaz simultanément par plusieurs faisceaux lumineux ayant des longueurs d'onde différentes correspondant chacune à une raie d'absorption sélectionnée, et à mesurer l'intensité de l'ensemble de ces faisceaux lumineux après traversée du gaz pour le calcul du pouvoir calorifique du gaz. L'utilisation simultanée de plusieurs faisceaux lumineux ayant des longueurs d'onde différentes permet, moyennant un accroissement de l'investissement nécessaire, d'améliorer la rapidité et la sélectivité du procédé selon l'invention. L'invention propose également un dispositif pour l'exécution de ce procédé, ce dispositif comprenant une source lumineuse, des photo-détecteurs générant des signaux correspondant à l'absorption par le gaz du faisceau lumineux émis par la source, et des moyens de traitement de l'information pour le calcul du pouvoir calorifique du gaz à partir des signaux des photodétecteurs, caractérisé en ce que ladite source lumineuse est une diode laser ou analogue, émettant un faisceau lumineux dont la longueur d'onde est voisine de celles des raies d'absorption sélectionnées et dont la largeur spectrale est inférieure à celles desdites raies, ce dispositif comprenant des moyens de variation de la longueur d'onde du faisceau émis par la source pour réaliser un balayage en longueur d'onde des raies d'absorption sélectionnées, les moyens de traitement de l'information étant programmés pour calculer la concentration relative de chaque composant du gaz à partir des signaux des photo-détecteurs aux longueurs d'onde correspondant aux raies d'absorption sélectionnées et pour en déduire le pouvoir calorifique du gaz. Avantageusement, ce dispositif présente également les caractéristiques suivantes - des moyens de mesure de la pression, de la température et du débit de gaz, sont raccordés aux moyens de traitement de l'information, - plusieurs diodes laser émettent simultanément des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes, dont chacune correspond à une raie d'absorption sélective d'un composant de gaz, - des fibres optiques de liaison sont prévues entre la ou les diodes laser et la conduite d'amenée de gaz et entre cette conduite et les photo-détecteurs précités, - des moyens de multiplexage des signaux fournis par des photo-détecteurs associés à différentes conduites de gaz, permettent d'utiliser les mêmes moyens de traitement de l'information pour calculer les pouvoirs calorifiques du gaz circulant dans ces conduites. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés qui représentent schématiquement un dispositif selon l'invention. Le dispositif représenté est destiné à la détermination précise du pouvoir calorifique du gaz circulant dans une conduite 10 équipée de hublots 12 diamétralement opposés, réalisés en une matière transparente aux longueurs d'onde utilisées. Des optiques de collimation 14 disposées en regard d'un des hublots 12 sont associées respectivement à une fibre optique 16 d'émission et à une fibre optique 18 de réception, un dispositif 20 de rétro-réflexion étant placé en regard de l'autre hublot 12 pour recevoir le flux lumineux sortant de la fibre optique d'émission et de l'optique associée 14 et le ré-injecter, après une double traversée du gaz circulant dans la conduite 10, dans la fibre optique de réception 18 par l'intermédiaire de l'optique associée 14. Une source lumineuse 22, telle qu'une diode laser, est couplée à l'extrémité amont de la fibre optique 16 par des moyens non représentés et à un photodétecteur 24 permettant d'appliquer à une entrée de moyens 26 de traitement de l'information un signal électrique correspondant à l'intensité lumineuse émise par la source 22. Des moyens 28 commandés par les moyens 26 de traitement de l'information sont associés à la source lumineuse 22 pour faire varier la longueur d'onde de la lumière émise, par exemple par variation de son courant électrique d'alimentation et de sa température de jonction. L'extrémité aval de la fibre optique 18 de réception est couplée, par des moyens non représentés, à un photo-détecteur 30 dont le signal de sortie est appliqué à une autre entrée des moyens 26 de traitement de l'information. La conduite de gaz 10 est encore équipée, par exemple en amont des hublots 12, d'un capteur de pression 32 et d'un capteur de température 34 dont les signaux de sortie sont appliqués à deux autres entrées des moyens 26 de traitement de l'information. Enfin, des moyens 36 de mesure du débit de gaz dans la conduite 10 génèrent un signal électrique correspondant à ce débit, qui est appliqué à une entrée des moyens 26 de traitement de l'information. Ce dispositif est utilisé de la façon suivante On connaît la composition qualitative du gaz qui circule dans la conduite 10, mais non sa composition quantitative précise et on se propose de déterminer celle-ci pour calculer ensuite le pouvoir calorifique du gaz, les pouvoirs calorifiques des divers composants du gaz étant connus. On sélectionne au préalable, dans le proche infra-rouge et par exemple dans une bande de longueurs d'onde comprises entre 1550 et 1650 nm, une raie d'absorption spécifique pour chaque composant du gaz, ces diverses raies d'absorption étant sélectionnées de façon à ne pas se chevaucher les unes les autres. Par exemple, dans le cas du gaz naturel qui comprend essentiellement du méthane et de faibles quantités d'éthane, de butane, de propane, et d'hydrocarbures saturés en CnH2n+2 avec n supérieur ou égal à 5, on va choisir une raie d'absorption parmi les très nombreuses raies d'absorption spécifiques du méthane, une raie d'absorption parmi les très nombreuses raies spécifiques de l'éthane, etc, de façon à ce que les raies d'absorption choisies ne se chevauchent pas entre elles. La source lumineuse 22 est pilotée par les moyens 26 de traitement de l'information par l'intermédiaire des moyens 28, de façon à ce que la longueur d'onde centrale du faisceau lumineux qu'elle émet balaye successivement toutes les raies d'absorption sélectionnées des composants du gaz. Typiquement, la puissance émise par la source 22 est de l'ordre du mW et la largeur spectrale du faisceau lumineux émis est de 100 MHz (0,001 nm). Comme la largeur spectrale d'une raie d'absorption sélectionnée spécifique d'un composant du gaz peut être de l'ordre de 0,1 nm aux conditions normales de température et de pression, on peut balayer cette raie d'absorption quand on fait varier la longueur d'ondes centrale de la lumière émise par la source 22 et faire plusieurs mesures de l'absorption lumineuse par ce composant du gaz. La lumière émise par la source 22 est injectée dans la fibre optique 16, traverse une première fois le gaz qui circule dans la conduite 10, est réfléchie par le rétro-réflecteur 20, traverse une nouvelle fois le gaz qui circule dans la conduite 10, puis est injectée dans la fibre optique 18 et transmise au photo-récepteur 30 dont le signal de sortie est une fonction de l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Cette intensité est une fonction de l'intensité émise par la source 22, de la concentration du composant considéré, de la longueur du trajet optique du faisceau lumineux dans le gaz, de la section efficace d'absorption, et de la largeur de la raie d'absorption sélectionnée. Les largeurs et les forces des raies d'absorption sélectionnées sont elles-mêmes des fonctions de la température et de la pression. On peut donc déterminer la concentration relative d'un composant de gaz par mesure de l'intensité lumineuse dans la raie d'absorption sélectionnée après traversée du gaz si l'on connaît l'intensité lumineuse en dehors de cette raie et la longueur d'onde du faisceau lumineux, la longueur du trajet optique du faisceau lumineux dans le gaz, la section efficace d'absorption, la largeur de la raie d'absorption considérée, la pression, la température et le débit du gaz. Le nombre de mesures d'intensité réalisées lors du balayage en longueur d'onde d'une raie d'absorption spécifique sélectionnées est variable et par exemple de l'ordre d'une centaine, ce qui permet d'améliorer la précision sur la détermination de la concentration du composant du gaz. On peut également améliorer cette précision en augmentant la longueur du trajet optique dans le gaz, par exemple en utilisant plusieurs dispositifs de rétroréflexion 20 diamétralement opposés et décalés axialement, de façon à ce que le faisceau lumineux sortant de la fibre optique 16 traverse plusieurs fois le gaz avant d'être ré-injecté dans la fibre optique 18. Le dispositif selon la présente invention permet de mesurer le pouvoir calorifique du gaz circulant dans la conduite 10 avec une précision de l'ordre de 0,3% à une fréquence comprise entre 0,1 et 10 Hz environ, les moyens 26 de traitement de l'information permettant d'intégrer ces mesures sur un intervalle de temps déterminé, en fonction du débit, par exemple pour facturer à l'utilisateur la quantité exacte de calories qui lui été livrée. La rapidité des mesures peut être augmentée si l'on utilise plusieurs sources lumineuses 22 en parallèle comme représenté schématiquement en pointillés, ces sources lumineuses émettant sur des longueurs d'onde différentes dans des fibres optiques qui sont reliées à une fibre unique d'émission par des coupleurs optiques 38 en Y, ce qui permet de balayer simultanément plusieurs raies d'absorption spécifiques sélectionnées. On peut par exemple moduler à des fréquences différentes les faisceaux émis par ces sources lumineuses, recevoir les faisceaux mélangés sur un seul photo-récepteur et démoduler les signaux de sortie du photo-récepteur par filtrage électronique. En variante, on peut moduler à une même fréquence les faisceaux émis par les sources lumineuses, les mélanger avant traversée du gaz et les recevoir sur plusieurs photo-récepteurs associés à des filtres optiques accordés sur les raies d'absorption sélectionnées. On peut également prévoir des moyens de multiplexage pour associer les moyens 26 de traitement de l'information à plusieurs conduites de gaz, ces moyens de multiplexage étant agencés entre les moyens 26 de traitement de l'information et les photo-détecteurs 30 associés aux différentes conduites. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination du pouvoir calorifique d'un gaz par voie optique, à partir de la mesure de l'absorption d'un faisceau lumineux par les composants du gaz, caractérisé en ce qu'il consiste - à sélectionner préalablement dans le proche infra-rouge une raie d'absorption spécifique de chaque composant du gaz, - à éclairer le gaz par un faisceau lumineux tel qu'un faisceau laser, ayant une longueur d'onde voisine de celles des raies d'absorption sélectionnées et une largeur spectrale inférieure à celles des raies d'absorption sélectionnées, - à faire varier la longueur d'onde du faisceau lumineux pour balayer les raies d'absorption sélectionnées, - à mesurer l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz aux longueurs d'onde des raies d'absorption sélectionnées et en dehors de ces raies, - à mesurer la pression et la température du gaz, - et à en déduire par calcul les concentrations relatives des composants du gaz et son pouvoir calorifique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à sélectionner des raies d'absorption spécifiques des composants du gaz qui ne se chevauchent pas les unes les autres. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, le faisceau lumineux ayant une largeur spectrale plusieurs fois inférieure à celles des raies d'absorption sélectionnées, il consiste, pour chacune de ces raies d'absorption, à faire varier la longueur d'onde du faisceau lumineux pour balayer ladite raie d'absorption et à mesurer plusieurs fois l'intensité du faisceau lumineux après traversée du gaz pour plusieurs valeurs de longueur d'onde comprises dans cette raie d'absorption. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à faire traverser plusieurs fois le gaz par le faisceau lumineux avant de mesurer l'intensité de ce dernier. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à éclairer le gaz simultanément par plusieurs faisceaux lumineux ayant des longueurs d'onde différentes correspondant chacune à une raie d'absorption sélectionnée et à mesurer l'intensité de ces faisceaux après traversée du gaz pour le calcul du pouvoir calorifique du gaz. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer le débit du gaz s'écoulant dans un conduit et à utiliser cette mesure de débit pour déterminer la concentration relative de chaque composant du gaz. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à calculer périodiquement le pouvoir calorifique du gaz, à une fréquence comprise entre 0,1 et 10 Hz par exemple et à intégrer les valeurs calculées sur un intervalle de temps déterminé. 8. Dispositif pour l'exécution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes, comprenant une source lumineuse (22), des photodétecteurs (24, 30) générant des signaux correspondant à l'absorption par le gaz du faisceau lumineux émis par la source et des moyens (26) de traitement de l'information pour le calcul du pouvoir calorifique du gaz à partir des signaux des photo-détecteurs, caractérisé en ce que ladite source lumineuse (22) est une diode laser ou analogue émettant un faisceau lumineux dont la longueur d'onde est voisine de celle des raies d'absorption sélectionnées et dont la largeur spectrale est plusieurs fois inférieure à celles desdites raies, le dispositif comprenant de plus des moyens (28) de variation de la longueur d'onde du faisceau lumineux émis par la source (22) pour réaliser un balayage en longueur d'onde des raies d'absorption sélectionnées, les moyens (26) de traitement de l'information étant programmés pour calculer la concentration du chaque composant du gaz à partir des signaux des photo-détecteurs (24, 30) aux longueurs d'onde correspondant aux raies d'absorption sélectionnées et pour en déduire le pouvoir calorifique du gaz. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (32, 34, 36) de mesure de la pression, de la température et du débit de gaz raccordés aux moyens (26) de traitement de l'information. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sources lumineuses (22) émettant des faisceaux lumineux de longueurs d'onde différentes correspondant chacune à une raie d'absorption sélectionnée d'un composant du gaz. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des fibres optiques (16, 18) de liaison entre la ou les sources lumineuses (22) et la conduite de gaz (10) et entre cette conduite et le ou les photo-détecteurs (30) de mesure de l'intensité lumineuse après traversée du gaz. 12. Dispositif selon l'une des revendications 8 et 11, caractérisé en ce qu'il comprend des photodétecteurs (30) associés à différentes conduites (10) de gaz et des moyens de multiplexage des signaux générés par ces photo-détecteurs, les moyens de multiplexage étant reliés aux moyens (26) de traitement de l'information.