Brevet FR2764089A1 — publié le 19981204

L'invention est relative à un procédé de régulation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau, destiné notamment à la pisciculture. En pisciculture, il est courant d'alimenter des bassins d'élevage de poissons avec de l'eau dont la teneur en oxygène a été augmentée au moyen d'un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau pour assurer la respiration des poissons vivant dans ces bassins d'élevage. Cette teneur doit être adap- tée tout au long d'une journée à la consommation d'oxygène des poissons dans les bassins. On connaît des appareils de dissolution de l'oxygène dans l'eau qui comprennent des unités mettant en oeuvre des procédés complexes de régulation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un tel appareil. Ces procédés sont par exemple du type " P.l.D. ", c'est-à-dire une régulation par action proportionnelle, intégrale et dérivée, ou des procédés de régulation proportionnelle nécessitant des systèmes compliqués de régulation comprenant un nombre important d'électrovannes. L'invention vise à proposer un procédé de régulation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau qui soit plus simple que ceux décrits ci-dessus. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de régulation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau, destiné notamment à la pisciculture, dans lequel on mesure au moyen d'un capteur la teneur C5 en oxygène de l'eau en sortie de l'appareil, et - on compare la teneur Cs mesurée en sortie de l'appareil à une valeur de consigne Cos., caractérisé en ce que si la teneur C, mesurée est inférieure la valeur de consigne C.or,. on déclenche un cycle d'alimentation en oxygène dudit appareil, un cycle d'alimentation étant composé d'une période Ti d'injection de l'oxygène dans l'appareil pendant laquelle une vanne de régulation du débit d'oxygène alimentant ledit appareil est en position ouverte, et d'une période Tp d'inhibition pendant laquelle ladite vanne est en position fermée, ladite période d'inhibition correspondant sensiblement à l'inertie de réponse de l'appareil à une injection d'oxygène. Le procédé selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - le rapport entre la durée de la période Ti d'injection et la durée de la période o10 Tp d'inhibition est sensiblement constant, - pour un appareil de dissolution d'oxygène contenant un volume d'eau Ve, la période Tp d'inhibition est sensiblement définie par la relation: Ve QH 2o TP = o. - on mesure également la teneur Ce d'oxygène de l'eau à l'entrée de l'appareil, et en ce que la durée totale Ttt d'un cycle d'alimentation est sensiblement définie par la relation suivante: Tr, - (Ccon,.g-C.)VgRdm ()Ho20(C - Ce)E o Vg est le volume de la phase gazeuse contenue dans l'appareil, Rdm est le rendement réel de dissolution de l'appareil et E est le coefficient théorique de o rendement de dissolution de l'oxygène, - lors de la période Ti, on injecte de l'oxygène avec un débit Q, défini sensible- ment par la relation suivante: Q= QH20Vg(Cs - Ce)(Ccon.ig- C) Rdm. Vg(Ccons.g- C) - VeE(Cs - Ce) L'invention a en outre pour objet un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau comprenant une cuve d'oxygénation reliée à une source d'oxygène par l'intermédiaire d'une canalisation d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend une électrovanne tout ou rien pouvant prendre soit une position fermée, soit une position ouverte, qui est disposée dans la canalisation d'alimentation, un capteur de mesure de la teneur Ce en oxygène de l'eau à traiter ainsi qu'un capteur de mesure de la teneur Cs d'oxygène dissous dans I'eau en sortie de l'appareil, et une unité centrale comprenant des moyens d'exploitation des signaux délivrés par les deux capteurs de mesure ainsi que des moyens de commande de l'électrovanne pilotés par les moyens d'exploitation. L'appareil selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'exploitation comprennent des moyens de comparaison de la teneur Cs avec la valeur de consigne C.onsi. mémorisée dans une mémoire et des moyens de calcul de la durée de la période Ti d'injection, - les moyens de commande de l'électrovanne comprennent une mémoire de la durée de la période d'inhibition Tp et, reliée à cette mémoire ainsi qu'aux moyens de calcul, un temporisateur pour commander les temps d'ouverture et de fermeture de l'électrovanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti- ront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, sans caractère limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de dissolu- tion d'oxygène dans l'eau, La figure 2 est un graphique montrant, en fonction du temps, la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un appareil de dissolution et illustrant le procédé de régulation selon l'invention, et La figure 3 représente un graphique montrant des courbes d'étalonnage d'un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau. Sur la figure 1 est représenté un appareil 1 de dissolution d'oxygène dans l'eau destiné à la pisciculture. Cet appareil 1 comprend une cuve 3 d'oxygénation d'eau qui enferme un volume total Vtt de traitement. Cette cuve 3 est en communication avec un bassin 5 d'élevage de poissons par une ouverture de sortie 7 ménagée proche du fond 9 de la cuve 3 dans une paroi latérale 11 de celle-ci. Du fait que la cuve 3 et le bassin 4 communiquent par l'ouverture 7, le niveau d'eau N dans la cuve 3 correspond à celui du bassin 5 d'élevage. Le niveau d'eau du bassin est maintenue constant de sorte que le niveau N dans la cuve 3 est aussi constant lors du fonctionnement de l'appareil 1. La hauteur H de la cuve 3 est supérieure au niveau d'eau N de sorte que le volume total Vtt est divisé en un volume supérieur Vg contenant une phase gazeuse à forte proportion d'oxygène destiné à être dissous dans l'eau et un volume V. contenant de l'eau en traitement. Comme le niveau d'eau N dans la cuve 3 est constant lors du fonctionnement de l'appareil 1, les volumes Vg et Ve sont également constants. A travers une ouverture 14 prévue dans sa paroi supérieure 13, la cuve 3 est reliée à une canalisation 15 d'alimentation en eau à traiter. Comme un appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau est conçu pour un 2s débit nominal d'eau à traiter, le débit d'eau à traiter QH2o venant de la canalisa- tion 15 est sensiblement constant. En fonctionnement, I'eau en sortie de la canalisation 15 traverse la phase gazeuse et se verse dans la phase liquide afin de créer une émulsion avec des bulles de gaz pour dissoudre l'oxygène de la phase ga- zeuse dans l'eau contenue dans la cuve 3. Grâce à l'émulsion avec les bulles de gaz, le transfert gaz-liquide est augmenté de façon significative. Il est à noter qu'à part de l'oxygène, la phase gazeuse contient aussi d'autres gaz comme par exemple de l'azote ou de l'argon. Ces autres gaz proviennent surtout de l'eau à traiter, qui contient déjà une certaine quantité de gaz dissous. Ces autres gaz se libèrent en partie dans l'émulsion et modifient la composition de la phase gazeuse. Pour récupérer les bulles de gaz excédentaires non dissoutes dans l'eau, des parois 17 et 19 de déviation de l'écoulement de l'eau sont disposées dans la cuve 3. L'écoulement dévié de l'eau est indiqué par des flèches 20. A travers une ouverture 21 prévue dans sa paroi supérieure 13, la cuve 3 est en outre reliée à une source 22 d'oxygène par l'intermédiaire d'une canalisation 23 d'alimentation de l'appareil 1 en oxygène. Dans cette canalisation 23 sont disposés en ligne une électrovanne 25 dite " tout ou rien ", c'est à dire une électrovanne qui prend soit une position fermée, soit une position ouverte, et un diaphragme 27 de régulation du débit d'oxygène dans la canalisation 23 lorsque l'électrovanne 25 est dans sa position ouverte. Un débitmètre 29 à commande manuelle est disposé en dérivation par rapport à l'électrovanne 25 et au diaphragme 27 dans la canali- sation 23 d'alimentation en oxygène. Ce débitmètre 29 à commande manuelle sert de vanne de secours en cas d'une défaillance de l'électrovanne 25 et, comme cela sera expliqué plus loin, à l'étalonnage de l'appareil 1. En outre, l'appareil 1 comprend deux capteurs 31 et 33 de mesure de la teneur en oxygène de l'eau, dont l'un 31 est disposé dans la canalisation 15 pour mesurer la teneur Ce en oxygène de l'eau à traiter et dont l'autre 33 est disposé près de l'ouverture 7, à la sortie de la cuve 3, pour mesurer la teneur C, d'oxygène dissous dans l'eau en sortie de l'appareil. Les deux capteurs 31 et 33 sont reliés à une unité centrale 35 comprenant des moyens 37 d'exploitation des signaux délivrés par les deux capteurs 31 et 33 et des moyens 39 de commande de l'électrovanne 25. Les moyens 37 d'exploitation comprennent des moyens 41 de comparaison de la teneur C, avec une valeur de consigne C.,os. mémorisée dans une mémoire 43, et des moyens 45 de calcul d'un temps d'ouverture de l'électrovanne, c'est à dire de la durée d'une période Ti d'injection pendant laquelle l'électrovanne 25 est en position ouverte et l'appareil 1 est alimenté en oxygène. Les moyens 39 de commande de l'électrovanne 25 compren- nent un temporisateur 47 pour commander les temps d'ouverture et de ferme- ture de l'électrovanne 25 et, relié à ce temporisateur 47, une mémoire 48 d'une durée d'une période d'inhibition Tp pendant laquelle, après une période Ti d'injection, celle-ci est maintenue fermée. L'unité centrale 35 est par exemple réalisée par un micro- ordinateur équipé d'interfaces adaptées pour acquérir les signaux délivrés par les capteurs 31 et 33, et pour envoyer des commandes d'ouverture ou de fermeture à l'électrovanne 25, et comportant une mémoire dans laquelle est chargé un programme informatique adapté. La figure 2 montre un graphique illustrant le procédé de régulation de l'invention. Sur l'axe des abscisses 50 est rapporté le temps en secondes et sur celui des ordonnées 52 est rapportée la teneur C, en oxygène de l'eau en sortie de l'appareil 1. Ce graphique montre une courbe 54 de variation de C, en fonction du temps. Selon le procédé de l'invention, on mesure au moyen du capteur 33 la teneur Cs en oxygène de l'eau en sortie de l'appareil 1. Cette valeur Cs mesurée est comparée dans les moyens 41 de comparaison à la valeur de consigne C,, ig. mémorisée dans la mémoire 43. Si la teneur C, mesurée est inférieure la valeur de consigne Cconsig., comme par exemple à l'instant t = 2s sur la figure 2, on déclenche un cycle d'alimentation de l'appareil 1. Un cycle d'alimentation est composé d'une période Ti d'injection de l'oxygène dans la cuve 3 pendant laquelle I'électrovanne 25 est en position ouverte, et d'une période Tp d'inhibition pendant laquelle l'électrovanne 25 est en position fermée. Pour cela, les moyens 41 de comparaison envoient un signal de commande comprenant notamment la valeur C, mesurée aux moyens 45 de calcul afin que ceux-ci déterminent à partir des caractéristiques de l'appareil 1 et les mesures de Cs et de Ce la durée de la période Ti. Cette durée de la période Ti est envoyée au temporisateur 47. Pendant la période d'injection T, le temporisateur 47 maintient l'électrovanne 25 en position ouverte et de l'oxygène est injectée avec un débit Qi déterminé par la pression en aval de l'électrovanne 25 et par le diamètre du diaphragme 27. Ensuite le temporisateur 47 maintient l'électrovanne 25 en position fermée pendant la période Tp. La durée de la période Tp correspond sensiblement à l'inertie de réponse de l'appareil à une injection d'oxygène dans l'appareil 1 et est définie par la relation suivante: W T Q= e (1) Comme on le voit sur la courbe 54 de la figure 2, lors de la période d'injection, la teneur C diminue encore du fait de l'inertie de réponse de l'appareil et remonte ensuite lors de la période d'inhibition. A la fin de la période d'inhibition Tp, on dispose d'une valeur de Cs qui est une réponse à la quantité d'oxygène injectée lors de la période d'injection. Si après le cycle d'injection, c'est-à-dire après une période de cycle Tt, = T+Tp, C, est encore inférieure à Csig., les moyens 41 de comparai- son déclenchent à nouveau un cycle d'injection. Comme on le voit sur la figure 2, le procédé de régulation de l'invention permet d'obtenir une variation oscillante de C, autour de C^^^.. Par le fait que l'électrovanne 25 ne peut prendre que deux positions, la position fermée et la position ouverte, et par le procédé de régula- tion de l'invention, on régule de façon simple, fiable et précise la teneur Cs en sortie de l'appareil 1. La Demanderesse a constaté que le rapport entre la durée de la période Ti d'injection et la durée de la période Tp d'inhibition est sensiblement constant. Afin que l'amplitude des oscillations de Cs autour de C.ig. soit faible, on détermine à partir des caractéristiques de l'appareil 1 et à partir des mesures de Cs et de Ci les durées des périodes Ti et Tp ainsi que le débit Q avec lequel on injecte pendant la période Ti de l'oxygène dans la phase gazeuse par l'intermédiaire de la canalisation 23. L'appareil 1 est installé pour dissoudre dans l'eau une certaine quantité d'oxygène par unité de temps, c'est-à-dire un débit moyen d'oxygène Qo2d, ce débit étant déterminé par un cahier des charges piscicoles. Pour pouvoir apporter ce débit moyen d'oxygène dissous dans l'eau Qo2d, il faut connaître les caractéristiques de dissolution de l'appareil. La figure 3 montre sur un graphique des courbes d'étalonnage d'un appareil 1 de dissolution d'oxygène dans l'eau. Sur l'axe des abscisses 80 est rapportée la différence en ppm massiques (parties par million massiques) entre la teneur Cs d'oxygène dissous dans l'eau en sortie de I 'appareil et la teneur C. en oxygène de l'eau à traiter. Sur l'axe des ordonnées 82 est rapporté un débit moyen d'oxygène Qo2 en m3/h. Sur le graphique sont représentées trois courbes 84, 86, et 88. La courbe 84 montre le débit moyen d'oxygène dissous dans l'eau Qo2d en fonction de la différence (Cs-C.) des teneurs en oxygène de l'eau respectivement en sortie et à l'entrée de l'appareil 1. Qo2d est déterminée par la relation suivante: Qo2d =(Cs - Ce)QH2o (2) C'est-à-dire, pour obtenir une différence (C,-C.) de teneurs en oxygène de l'eau respectivement à la sortie et à l'entrée de l'appareil 1 et avec un débit d'eau à traiter QH2o qui est constant pour un appareil donné, il faut dissoudre le débit moyen Qo2d. La courbe 84 est une courbe calculée pour un débit QH2O donné. Du fait notamment des gaz autres que l'oxygène qui sont dissous dans l'eau à traiter et qui se libèrent lors du traitement dans la cuve 3 de sorte qu'ils modifient la composition de la phase gazeuse de la cuve 3, Qo2d ne correspond pas directement au débit moyen d'oxygène Qm devant être injecté dans la phase gazeuse. Ce débit moyen d'oxygène Qm est représenté par la courbe 86 en fonction de (Cs-C.). Il est déterminé par la relation suivante: i Qm = (C - Ce)QH20 (3) Rdm est le rendement réel de dissolution de l'appareil 1. La courbe 86 a été obtenue expérimentalement en maintenant l'électrovanne 25 fermée et en faisant varier le débit d'oxygène injecté dans la cuve 3 au moyen du débitmètre 29 à commande manuelle tout en mesurant Cs et Ce. Pour par exemple un écart maximal (Cs - C.) de 16 ppm prévu par le cahier de charges piscicoles, il faut dissoudre en moyenne environ 16 m3/h d'oxygène dans l'eau (voir courbe 84), mais injecter en moyenne 25 m3/h d'oxygène dans la cuve 3 (voir courbe 86). A partir de ces courbes 84 et 86, on détermine le rendement réel Rdm de dissolution de l'appareil 1, défini alors par la relation suivante: o2d (4) Rd"1 (4) La courbe 88 est le débit moyen d'oxygène QO2E demandé à la régulation de l'électrovanne 25. L'électrovanne 25 et le diamètre du diaphragme 27 sont alors choisis de telle manière qu'on obtiennent Qm pour un écart maximal (Cs - Ce) de 16 ppm prévu par le cahier de charges piscicoles. Pour ce point de fonctionnement Qo2E et Qm,, sont alors égaux. Généralement, on choisira l'électrovanne 25 et le diamètre du diaphragme 27 de telle sorte que la courbe 88 soit assez proche de la courbe 86 pour obtenir un bon résultat de régulation. A partir de ces caractéristiques de l'appareil 1, on déter- mine les durées Tt,, T Tp et le débit d'oxygène Q, avec lequel on injecte de l'oxygène dans l'appareil 1 par l'intermédiaire de la canalisation 23. Pour injecter en moyenne une quantité d'oxygène suffi- sante, Ti, Tp ainsi que Qm, et Q, vérifient la relation suivante: TiQi = (Ti +Tp)Qm (5) Cette relation signifie que la quantité d'oxygène TiQ, injectée pendant la période T, correspond à la quantité moyenne (Ti+Tp)Qm devant être injectée dans la cuve 3 pour obtenir l'augmentation de la teneur en oxygene requise. Par ailleurs, l'injection de la quantité d'oxygène TiQ; dans le volume Vg de la phase gazeuse conduira à une augmentation AC' de la teneur en oxygène de la phase gazeuse donnée par la relation suivante: AC V vT (6) Cette augmentation AC' doit être assez importante pour entraîner une augmentation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie de I'appareil. On peut alors exprimer AC' par la relation suivante: AC'- (ccon..s-c.) (7) o E est le coefficient théorique de rendement de dissolu- tion de l'oxygène dans l'eau, donné par la relation suivante: E- kia r E l-kiar (8) k4 étant un coefficient de transfert de matière dans le film liquide, a I'aire spécifique interfaciale liquide et t le temps de passage de la phase liquide dans la cuve 3. Pour plus de détails sur ce coefficient E, on consultera par exemple la thèse soutenue le 18 mai 1978 à l'Université Paul Sabatier de Toulouse par Michel Roustant, Ingénieur INSA ayant pour titre " Contribution à l'étude de phénomènes d'agitation et de transfert de matière dans des réactions gaz- liquide ". En combinant les relations (3), (5), (6) et (7), on obtient les relations suivantes pour Qi, Ti+Tp = Ttt, et T,: O QH2OVg(CS - Ce)(Gconig.-C.,) Rdm.Vg(Ccons,,,,g. -C,)- VeE(Cs - C,) Tt0t =(Cconsg- Cs)VgRdm (10) QH2,,(C,-C)E T = To- Tp (11). Ainsi, tous les paramètres pour la régulation nécessaires pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention sont définis. Le procédé se distingue par sa simplicité et par le fait qu'il ne nécessite comme organe de régulation dans la canalisation d'alimentation en oxygène qu'une vanne " tout ou rien ". REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la teneur en oxygène de l'eau en sortie d'un appareil (1) de dissolution d'oxygène dans l'eau, destiné notamment à la pisciculture, dans lequel - on mesure au moyen d'un capteur (33) la teneur C, en oxygène de l'eau en sortie de l'appareil (1), et - on compare la teneur C, mesurée en sortie de l'appareil à une valeur de consigne C.,,g., caractérisé en ce que si la teneur C, mesurée est inférieure la valeur de consigne C.,,i., on déclenche un cycle d'alimentation en oxygène dudit appareil, un cycle d'alimentation étant composé d'une période Ti d'injection de l'oxygène dans l'appareil pendant laquelle une vanne (25) de régulation du débit d'oxygène alimentant ledit appareil est en position ouverte, et d'une période Tp d'inhibition pendant laquelle ladite vanne est en position fermée, ladite période d'inhibition correspondant sensiblement à l'inertie de réponse de l'appareil à une injection d'oxygène. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la durée de la période Ti d'injection et la durée de la période Tp d'inhibition est sensiblement constant. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, pour un appareil de dissolution d'oxygène contenant un volume d'eau Ve et ayant un débit nominal d'eau traitée QH20, caractérisé en ce que la période Tp d'inhibition est sensible- ment définie par la relation: Ve Q)ff20 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on mesure également la teneur C. d'oxygène de l'eau à l'entrée de l'appareil, et en ce que la durée totale Ttot d'un cycle d'alimentation est sensiblement définie par la relation suivante: (Ccon. sg -(s)VgRdm QH2o(C, - C)E o Vg est le volume de la phase gazeuse contenue dans l'appareil, Rdm est le rendement réel de dissolution de l'appareil et E est le coefficient théorique de rendement de dissolution de l'oxygène. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lors de la période Ti, on injecte de l'oxygène avec un débit Qi défini sensiblement par la relation suivante: Q = QH2o0Vg(. - C.e)(CcOng-CI) Rdm Vg(Ccoig. C) - V.eE(Cs - C) 6. Appareil de dissolution d'oxygène dans l'eau comprenant une cuve (3) d'oxygénation reliée à une source (22) d'oxygène par l'intermédiaire d'une canalisation (23) d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comprend une électrovanne (25) tout ou rien pouvant prendre soit une position fermée, soit une position ouverte, qui est disposée dans la canalisation (23) d'alimentation, un capteur (31) de mesure de la teneur Ce en oxygène de l'eau à traiter ainsi qu'un capteur (33) de mesure de la teneur Cs d'oxygène dissous dans l'eau en sortie de l'appareil, et une unité centrale (35) comprenant des moyens (37) d'exploitation des signaux délivrés par les deux capteurs (31,33) de mesure ainsi que des moyens (39) de commande de l'électrovanne (25) pilotés par les moyens (37) d'exploitation. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens (37) d'exploitation comprennent des moyens (41) de comparaison de la teneur Cs avec la valeur de consigne C.,,,. mémorisée dans une mémoire (43) et des moyens (45) de calcul de la durée de la période Ti d'injection. 8. Appareil selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens (39) de commande de l'électrovanne (25) comprennent une mémoire (48) de la durée de la période d'inhibition Tp et, reliée à cette mémoire (48) ainsi qu'aux moyens (45) de calcul, un temporisateur (47) pour commander les temps d'ouverture et de fermeture de l'électrovanne (25).