Brevet FR2750500A1 — publié le 19980102

CAPTEUR DE GAZ HYDROGENE La présente invention a pour objet un capteur de gaz hydrogène. I1 est destiné à détecter la présence d'hydrogène et à mesurer son taux volumique dans un mélange de gaz. I1 est en particulier prévu pour fonctionner dans des milieux pressurisés de vapeur d'eau chaude (1 à 10 bars absolus), à des températures pouvant varier de 20 à 180 OC, la teneur en hydrogène pouvant varier entre 0 et 30 % volumique. I1 est en particulier conçu pour être utilisé dans des réacteurs nucléaires. Le fonctionnement des capteurs d'hydrogène les plus couramment utilisés repose sur la modification du flux thermique entre un filament Fm et la paroi d'une alvéole de mesure M dans laquelle pénètre le mélange de gaz à contrôler. La modification du flux thermique entraîne une variation de température du filament qui, corrélativement entraîne une modification de la valeur de sa résistance, révélée par un montage électrique classique en pont de Wheatstone. Le montage comprend également une alvéole de référence R scellée comportant un second filament Fr (figure 1). Le signal VS apparaissant entre les bornes de mesure A et B est nul lorsque VR/VM = VR1/VR2, VR et VM étant les tensions des filaments respectivement des alvéoles de référence et de mesure, VR1 et VR2 étant les tensions aux bornes des résistances R1 et R2 des deux autres branches du pont. Tout changement de valeur de la résistance des filaments 1 ou 2 se traduit par l'apparition d'un signal de tension VS. La modification du flux thermique est liée à la présence d'hydrogène dans le mélange gazeux et dans une certaine mesure à la présence de vapeur d'eau. Le flux thermique est fonction d'au moins trois facteurs - la conductibilité Cg du gaz : transfert de chaleur entre le filament et la paroi de l'alvéole, - la convection Cv : transfert de chaleur se manifestant sur le filament affecté, de par sa structure, d'un gradient de chaleur surfacique dans le sens vertical, - le rayonnement infrarouge IR : émis par le filament, il est absorbé par les gaz et vapeurs qui possèdent une résonnance électromagnétique dans un spectre de rayonnement dans la bande de 2 à 10 Rm tels que les gaz carbonés, la vapeur d'eau, etc. Ni l'hydrogène, ni l'azote, ni l'oxygène n'ont de spectre de résonnance dans cette bande de longueur d'onde (figure 2). La conductibilité des gaz est révélée par la variation de résistance électrique du filament, chauffé par effet Joule à une température de quelques dizaines à quelques centaines de degrés au-dessus de la température de la paroi isotherme de l'alvéole R ou M dans laquelle il se trouve. Dans une forme connue, les capteurs à conductibilité thermique pour hydrogène sont constitués d'un bloc métallique incluant deux ou quatre alvéoles pourvues de filaments chauffés, suivant qu'il s'agit d'un demi pont ou d'un pont complet de Wheatstone. L'ensemble des filaments Mesure et Référence fait partie d'un circuit en pont de Wheatstone. Les alvéoles de référence sont remplies d'un gaz sec tel que l'azote, l'argon ou l'air. Les alvéoles de mesure révèlent la présence du gaz à déceler, ce dernier diffusant au travers d'une barrière poreuse, comme par exemple le modèle "DUCALIX, type SD122" ICARE. La conductibilité thermique de l'hydrogène étant supérieure à celle de l'air, le filament de mesure cède d'avantage de calories, il se refroidit, sa résistance diminue, le potentiel à ses bornes diminue également ; cette variation est entièrement reportée entre les bornes A, B sous forme de tension VS. Dans une première forme de variante connue, les alvéoles de référence ne sont pas scellées, mais soumises à une diffusion continue d'un gaz de référence connu. Généralement, le gaz de référence circulant dans l'alvéole du même nom, ou de même nature chimique que celui qui doit être décelé par l'alvéole de mesure. Cette disposition tend à améliorer la stabilité de la mesure pour des fortes concentration de gaz à fort coefficient de conductibilité. Dans une deuxième forme de variante connue, le gaz à détecter diffuse simultanément dans les alvéoles de référence et de mesure. Cette disposition tend à améliorer la sélectivité de détection d'un gaz dans un mélange ternaire, tel est le cas pour le modèle "THERMATRON de la société M.S.A. Les capteurs d'hydrogène à conductibilité réalisés à ce jour sont le plus souvent sensibles à la pression ou à la vapeur d'eau ou aux deux paramètres à la fois ; la mesure de l'hydrogène dans ces conditions d'instabilité n'est pas utilisable pour gérer un procédé de fabrication, ou pour contrôler une zone confinée dans un réacteur nucléaire. Le dispositif selon la présente invention a pour objectif de remédier à cet état de choses ; il permet en effet la réalisation de capteurs assurant en temps réel le dosage de l'hydrogène, celui-ci pouvant être dilué avec d'autres constituants tels que les gaz carbonés ou la vapeur d'eau sans que la précision n'en soit affectée, cette dernière étant de l'ordre de 3 % de l'échelle de mesure, soit 0,9 % d'hydrogène de mesure, et ce d'une manière quasi indifférente à la pression totale du mélange dans la gamme 1 à 10 bars absolus et à une température ambiante pouvant atteindre 180 OC, ces capteurs étant susceptibles de mesurer l'hydrogène dans une gamme de teneur volumique allant jusqu'à 30 % dans les conditions de confinement d'un réacteur nucléaire soumis à une irradiation de 10^8 rads. I1 est constitué d'un corps maintenu à une température constante au moins égale à la plus haute température du mélange gazeux, et comportant une alvéole de mesure et une alvéole de compensation d'un volume sensiblement plus faible, ces deux alvéoles étant en communication avec le milieu environnant par l'intermédiaire d'une paroi diffusante en acier fritté et pourvues d'une paroi interne cylindrique réfléchissante dans l'axe de laquelle est disposé un filament métallique présentant un fort coefficient de résistivité vis-à- vis de la température, les deux filaments, identiques, étant montés en série avec une alimentation à tension constante et constituant deux éléments d'un pont de Wheatstone, un shunt résistif étant monté en parallèle avec le filament de l'alvéole de mesure pour diminuer son coefficient de résistance afin de rendre la mesure insensible à la vapeur d'eau, ce shunt étant associé à un diviseur potentiométrique ajustable permettant d'annuler la tension de décalage induite. Sur les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif d'une des formes de réalisation de l'objet de l'invention: la figure 1 (déjà citée) est un schéma illustrant le fonctionnement des capteurs d'hydrogène à conductibilité thermique, la figure 2 (déjà citée) montre le principe des échanges de chaleur dans une alvéole de capteur à conductibilité thermique, la figure 3 est une coupe schématique d'un capteur selon la présente invention et la figure 4 est un schéma montrant le montage électrique du capteur de la figure 3. Le capteur selon la présente invention se différencie des précédentes réalisations par le fait que l'alvéole de référence R est remplacée par une alvéole de compensation C, les deux alvéoles étant en contact avec le milieu gazeux environnant dans lequel on souhaite déceler la présence d'hydrogène. De même constitution, ces alvéoles ne permettraient pas de révéler la présence du gaz, car leur réaction à celui-ci étant semblable, et de signe électrique opposé, le résultat serait un signal nul. Pour isoler uniquement le taux volumique de l'hydrogène, il faut rendre les alvéoles de compensation et de mesure dissymétriques en comportement thermique vis-à-vis de l'hydrogène et conserver une bonne symétrie pour les autres paramètres. Ce résultat est obtenu en dimensionnant différemment - mécaniquement et optiquement les deux types d'alvéoles, -thermiquement les filaments métalliques chauffés électriquement. On observe que - Lorsque le rayon d'ouverture de l'alvéole croît, l'effet de convection tend à dominer sur l'effet de conductibilité - Lors des variations de pression, l'influence de la vapeur d'eau est pratiquement négligeable. - Pour une température inférieure du filament, les résultats sont plus marqués pour la vapeur d'eau. En utilisant le montage en pont de Wheatstone, les alvéoles de mesure M et de compensation C étant montées en série avec une alimentation à tension constante 1, il est possible d'ajuster la température ainsi que le coefficient de résistivité du filament de l'alvéole de mesure par un shunt résistif Re en parallèle avec ce filament de manière à diminuer son coefficient de résistance par rapport à celui du filament de l'alvéole de compensation C. Grâce à cette disposition, il est possible de faire juxtaposer les courbes du signal dû à la pression de vapeur d'eau des alvéoles C et M. Ainsi, les deux signaux, de sens contraire, s'annulent. L'atténuation du signal de l'alvéole de mesure M se traduisant par ailleurs par une plus grande différence entre les deux alvéoles, vis-à-vis de l'hydrogène. I1 découle que le capteur devient de ce fait quasi insensible à la pression de vapeur d'eau et corrélativement sensible au taux volumique du gaz hydrogène. Du fait de la présence du shunt Re, le pont n'est plus équilibré, une tension de décalage apparaît en VS. Cette tension sera annulée par un diviseur potentiométrique 2 incluant le potentiomètre de réglage permettant d'annuler ce déséquilibre (figure 4). Le fait de placer les alvéoles C et M en série apporte un élément réactif supplémentaire en ce sens que, quand l'intensité électrique traversant les filaments et en partie le shunt Re augmente quand le gaz hydrogène évacue les calories dans l'alvéole de compensation C plus que dans l'alvéole de mesure M ; le courant augmente légèrement dans le filament de cette dernière, favorisant l'accroissement du signal VS. Ce point est important car la conductibilité thermique de l'hydrogène change avec la température. Toutefois, le montage du pont de Wheatstone n'est plus thermiquement équilibré, les variations de la température ambiante induisent une dérive intolérable, compte tenu de la précision souhaitée. Il faut donc "thermostater" le capteur et le calorifuger, en le chauffant et en régulant sa température à une valeur au moins égale à la plus haute température pouvant être atteinte dans le mélange gazeux à contrôler. Dans le cadre d'un espace confiné d'un réacteur nucléaire, la température ambiante peut atteindre 180 OC. La régulation sera réglée à 185 OC, de sorte que la vapeur d'eau atteignant les alvéoles de mesure et de compensation demeurent sèche. Le dispositif selon l'invention, figures 3 et 4, est constitué d'une enceinte cylindrique thermostatée formée d'un corps 3 incluant une alvéole de mesure M et une alvéole de compensation C, et d'un capot 4 renfermant en particulier les connexions électriques 5. L'ensemble étant monté sur un support 6 permettant de le fixer. Les alvéoles comportent une paroi interne cylindrique réfléchissante 8 et sont munies chacune d'un filament métallique 7 identique présentant un fort coefficient de résistivité vis-à-vis de la température. Chaque filament 7 est placé dans l'axe d'une alvéole M ou C, de manière à se trouver au foyer optique vis-à-vis de la paroi réfléchissante 8. Les deux alvéoles se différencient par un rayon d'ouverture différent. Dans un exemple de réalisation du capteur selon l'invention, l'alvéole de compensation C a un rayon de 3 mm et une longueur de 39 mm, alors que l'alvéole de mesure M a un rayon de 10 mm et une longueur identique de 39 mm. Les deux alvéoles sont en communication avec le milieu environnant au travers d'une paroi diffusante 9 en acier fritté. Le corps 3 du capteur est réalisé dans un matériau tel que l'acier inoxydable, par exemple de type 316L, présentant une conductibilité thermique (de l'ordre de 22 Kcal/m/h/oC) apte à évacuer le flux de chaleur induit par les filaments, une bonne indifférence à la corrosion thermochimique ainsi qu'une tenue aux irradiations gamma de 10^8 Rads (confinement nucléaire), et permettant un polissage optique de la surface des alvéoles stable dans le temps (facteur de réflexion 0,7). Les filaments 7 ont un diamètre de 38 iim et une longueur boudinée de 20 mm. Leur efficacité dépend de leur température initiale, de leur coefficient de résistance, fonction de la température, typiquement 0,0045 %, de la linéarité de leur variation, fonction de la température, quasi stable jusqu'à 800 C, de leur indifférence aux effets thermochimiques et de leur absence d'activité catalytique. La température nominale des filaments est fonction de la tension appliquée à leurs bornes. Elle sera avantageusement d'environ 200 OC au-dessus de la température régulée pour l'alvéole de compensation, et d'environ 100 C au-dessus de la même température pour l'alvéole de mesure. Le capteur est pourvu d'une isolation thermique constituée d'une enveloppe isolante 10 entourant le corps 3 et le capot 4. Une résistance de chauffage 11 disposée autour du corps 3 contenant les alvéoles de mesure M et de compensation C, et régulée au moyen d'une thermistance 12, permet de maintenir les alvéoles à leur température de fonctionnement. Le positionnement des divers éléments constitutifs donne à l'objet de l'invention un maximum d'effets utiles qui n'avaient pas été, à ce jour, obtenus par des dispositifs similaires. REVENDICATIONS 10. Capteur de gaz hydrogène destiné à détecter la présence d'hydrogène et à mesurer son taux volumique dans un mélange de gaz sans être influencé par la pression totale du mélange gazeux ou la pression partielle de la vapeur d'eau, apte à fonctionner jusqu'à 10 Bars de pression absolue et 180 OC de température ambiante, et susceptible de mesurer l'hydrogène dans une gamme de teneur volumique allant jusqu'à 30 % dans les conditions de confinement d'un réacteur nucléaire soumis à irradiation de 10^8 rads, caractérisé par la combinaison d'une enceinte calorifugée dont la température interne est maintenue à une valeur constante au moins égale à la plus haute température pouvant être atteinte dans le mélange gazeux à contrôler, ladite enceinte comportant un corps (3) incluant une alvéole de mesure (M) et une alvéole de compensation (C) toutes deux en communication avec le milieu environnant et pourvues d'une paroi interne cylindrique réfléchissante dans l'axe de laquelle est disposé un filament métallique (7) présentant un fort coefficient de résistivité vis-à-vis de la température, le diamètre de la paroi cylindrique de l'alvéole de mesure (M) étant sensiblement plus grand que celui de l'alvéole de compensation (C), les deux filaments (7), identiques, étant montés en série avec une alimentation à tension constante (1) et constituant deux éléments d'un pont de Wheatstone. 20. Dispositif selon la revendication 1, se caractérisant par le fait qu'un shunt résistif (Re) est monté en parallèle avec le filament (7) de l'alvéole de mesure (M) pour diminuer son coefficient de résistance par rapport à celui du filament de l'alvéole de compensation (C), sa valeur étant déterminée de manière à ce que les signaux des deux alvéoles dûs à la vapeur d'eau s'annulent, un diviseur potentiométrique (2) incluant un potentiomètre de réglage permettant d'annuler le déséquilibre induit par la présence dudit shunt. 30. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les deux alvéoles sont en communication avec le milieu environnant au travers d'une paroi diffusante (9) en acier fritté. 40. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que le corps (3) du capteur est réalisé en acier inoxydable présentant une conductibilité thermique de l'ordre de 22 Kcal/m/h/ C, permettant un polissage optique de la surface des alvéoles stables dans le temps avec un facteur de réflexion voisin de 0,7 et apte à résister à des irradiations gamma de 10^8 Rads. 50. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que les filaments (7) ont un coefficient de résistance, fonction de la température, d'environ 0,0045 % et qu'ils présentent une linéarité de variation quasi stable jusqu'à 800 OC. 60. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la tension de l'alimentation (1) est déterminée de manière à ce que la température des filaments (7) est d'environ 200 OC au-dessus de la température régulée pour l'alvéole de compensation (C), et d'environ 100 OC au dessus de la même température pour l'alvéole de mesure (M). 70. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait que la longueur des deux alvéoles (M, C) est égale à 39 millimètres, l'alvéole de compensation (C) ayant un rayon de 3 millimètres et l'alvéole de mesure un rayon de 10 millimètres. 80. Dispositif selon la revendication 7, se caractérisant par le fait que les filaments (7) ont un diamètre de 38 micromètres et une longueur boudinée de 20 millimètres. 90. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, se caractérisant par le fait qu'une résistances de chauffage (11) disposée autour du corps (3) et régulée au moyen d'une thermistance (12) permet de maintenir les alvéoles à leur température de fonctionnement.