Brevet FR2816056A1 — publié le 20020503

DISPOSITIF DE MESURE DE RICHESSE D'UNE COMBUSTION ET PROCÉDÉ AFFÉRENT DE RÉGLAGE DESCRIPTION L'invention décrite ici se rapporte à la mesure et au réglage de la richesse d'une combustion et peut être analysée en un dispositif et un procédé. Le réglage de la combustion fait aujourd'hui l'objet de préoccupations dans de nombreux domaines comme la propulsion aéronautique et spatiale, l'automobile ou divers procédés industriels de production d'énergie. En effet, un bon réglage de la combustion permet d'épargner du combustible tout en minimisant les effluents gazeux nocifs qu'elle rejette. La plupart des procédés de combustion sont réglés comme des boucles ouvertes, c'est-à-dire sans retour d'information vers le dispositif d'injection. Cela n'est pas satisfaisant pour des procédés de combustion perfectionnés, utilisant notamment la combustion pré-mélangée pauvre, qui présente le grand avantage de réduire la production des oxydes d'azote grâce à la diminution de la température de la flamme. Parmi les problèmes essentiels à résoudre pour obtenir une bonne combustion pré-mélangée, on doit citer ici l'obtention d'une bonne richesse de combustible dans le mélange. En effet, si la richesse est faible, le débit de monoxyde de carbone émis s'accroît fortement, et la flamme peut même s'éteindre. Si la richesse est excessive, on produit de nouveau de grandes quantités d'oxydes d'azote. Les débits de monoxyde de carbone et d'oxydes d'azote sont exponentiels en fonction de la diminution et de l'accroissement de la richesse respectivement : ils ne laissent donc qu'une plage satisfaisante de fonctionnement, où ils sont modérés tous deux, étroite. On a donc souhaité développer des installations permettant un réglage continu de la richesse du mélange, prenant en compte soit les variations inévitables des débits d'entrée du comburant et du combustible, de la composition du combustible, de la pression et de l'humidité, soit les incertitudes associées aux débits des réactifs, etc.. Un paramètre permettant de mesurer l'état d'une combustion est l'intensité lumineuse de la flamme. Un brevet de l'art antérieur (le brevet des Etats-Unis 5 496 266) mentionne l'emploi d'un capteur de luminosité qui mesure l'intensité de la flamme à une longueur d'onde déterminée pour commander une boucle de réglage de la combustion. Cette méthode apparaît toutefois comme peu précise, et elle se trouve mise en échec quand le hublot derrière lequel le capteur est placé s'obscurcit sous l'effet d'une combustion mal réglée et fait ainsi diminuer l'intensité lumineuse transmise, ce qui est fréquent en pratique. Les inventeurs ont conçu un nouveau procédé de réglage de la richesse de combustion par une méthode optique, et qui comprend deux éléments originaux essentiels : la mesure s'effectue sur le spectre entier de la combustion, et il s'agit d'une mesure relative, c'est-à-dire qu'on n'exploite pas directement l'intensité lumineuse qu'on mesure. Le premier de ces éléments impose d'employer un spectromètre, ou au moins un grand nombre de capteurs différents équipés de filtres, mais un spectromètre est préféré ; l'emploi d'un spectromètre dans cette technique ne paraissait pas s'imposer, puisque les mesures d'intensité s'effectuent normalement sur des bandes étroites du spectre, c'est- à-dire d'un spectromètre de bonne résolution aux mesures lentes, et qui est donc incapable de piloter une installation de réglage de combustion à la célérité voulue. Les inventeurs ont toutefois reconnu que cette incompatibilité n'était qu'apparente à condition de travailler en résolution dégradée : on est conduit à employer un spectromètre à basse résolution, c'est-àdire dont les mesures soient effectuées sur des bandes plus larges mais qui peuvent être réalisées à des cadences plus élevées. Le spectre est déterminé sur des durées d'exposition relativement brèves ; les informations de ce spectre sont converties ou combinées entre elles et les résultats de la conversion sont comparés à des résultats de même nature enregistrés dans une base de données et qui proviennent du traitement de spectres de calibration obtenus préalablement. Ces spectres de calibration sont relatifs à des richesses et des pressions respectives, et la valeur actuelle de la richesse de la combustion est rapprochée de celle qui prévalait lors de la phase de calibration. Un ensemble de procédures numériques permet d'établir la meilleure correspondance et déduire la valeur de la richesse. Avantageusement, et c'est même un des aspects les plus importants de l'invention, les informations obtenues par la conversion des spectres sont insensibles à l'obscurcissement du hublot par encrassement. Un autre avantage de l'invention est la possibilité de déduire la pression de la combustion grâce à une nouvelle comparaison entre les spectres mesurés et ceux de la base de référence. Pour résumer, l'invention concerne d'abord un dispositif de mesure de richesse d'une combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre, une fibre optique reliée au spectromètre et aboutissant à un hublot ou une ouverture ou tout autre accès optique donnant regard sur la zone de combustion, une base de données contenant des informations sur la combustion à diverses richesses, et un moyen de traitement de spectres du spectromètre et de comparaison de résultats du traitement desdits spectres aux données. Un autre aspect de l'invention est un procédé de réglage de richesse d'une combustion, caractérisé en ce qu'il consiste, pour régler un débit d'un ingrédient de la combustion, à prendre un spectre de la combustion, à traiter le spectre en en tirant des informations relatives à au moins un groupe de longueurs d'onde du spectre, et à comparer des résultats provenant desdites informations à des résultats de même nature obtenus auparavant de spectres de calibration représentatifs de richesses respectives de la combustion pour en déduire un état présent de la richesse. D'autres aspects de l'invention, caractéristiques et avantages seront décrits ci-après au moyen des figures suivantes : - la figure 1 représente l'installation utilisée, - la figure 2 illustre un spectre de combustion, - et les figures 3,4 et 5 illustrent quelques façons d'exploiter les résultats du spectromètre. La description de la figure 1 est abordée. De l'air est fourni par une conduite 1 à une chambre de pré-mélange 2 et du combustible est aussi fourni par une conduite 3 à la chambre de pré-mélange 2. Le mélange d'air et du combustible passe de la chambre de pré-mélange 2 à une chambre de combustion 4 par une conduite 5 commune, et une flamme 6 se forme dans la chambre de combustion 4. La chambre de combustion 4 comprend un hublot 7 derrière lequel (hors de la chambre 4) se trouve la tête d'une fibre optique 8 qui est reliée à un spectromètre 9 associé à un moyen de calcul tel qu'un ordinateur 10 et qui prend donc des spectres de la flamme 6. Ces résultats sont fournis à un algorithme de dépouillement des spectres et d'estimation de la richesse 11, qui exploite aussi une base de données spectrales 12 et estime la richesse de la combustion de la façon qui sera décrite plus loin. La richesse estimée est fournie à un algorithme de commande 13 à l'aide d'une consigne de richesse 14 ; l'algorithme de commande 13 contrôle un dispositif de réglage 15 du débit de combustible passant par la conduite 3 pour ramener aussi vite que possible la richesse réelle à la richesse de la consigne. Les dispositifs 11 à 14 sont en réalité intégrés à l'ordinateur 10, contrairement à ce qu'on a représenté pour la clarté de l'illustration. Une lentille de quartz 16 peut concentrer la lumière de la flamme 6 sur la tête de la fibre optique 8, et la conduite 1 peut aussi être équipée d'un dispositif de réglage de débit 17, également régi par l'algorithme de commande 13. Le dispositif de combustion est donné à titre d'illustration, le système de mesure de la richesse pouvant être utilisé sur diverses configurations pratiques. Un spectromètre convenable a typiquement une plage de mesure comprise entre les longueurs d'onde de 250 et 850 nanomètres, un réseau de six cents traits par millimètre et une précision de 0,35 nanomètre. Un spectre de combustion typique est représenté à la figure 2. On distingue plusieurs pics, notamment près de 300 nanomètres, 430 nanomètres et 516 nanomètres, correspondant à des espèces chimiques radicalaires excitées, qui retombent à l'état stable en émettant de photons de longueur d'onde déterminée. Ici, ces espèces sont respectivement OH, CH et C2. Un quatrième pic, proche de 710 nanomètres, est dû à l'agitation thermique des molécules de vapeur d'eau. Enfin, la chimioluminescence fait apparaître dans les spectres un fond continu pour CO2 entre 300 et 600 nanomètres. L'analyse d'un spectre peut s'effectuer de la façon suivante : un tableau où sont indiquées les intensités des principales raies observées est construit, ces intensités étant normalisées en les divisant par l'intensité d'une d'entre elles ; l'utilisation de grandeurs normalisées efface l'influence de l'obscurcissement du hublot 7. Les raies considérées peuvent correspondre aux pics principaux, mais on peut y ajouter des raies représentatives du fond lumineux du spectre. Des filtres permettent d'isoler ces raies. En pratique, elles correspondent à des longueurs d'onde sélectionnées auparavant. La grandeur de normalisation correspond à un des pics mentionnés plus haut. On peut par ailleurs travailler avec une ou plusieurs bases de données contenant des intensités normalisées par l'intensité de pics différents. On procède de la même façon pour les spectres de calibration de la base de données 12 et pour les spectres mesurés ensuite et qui sont représentatifs de la combustion à régler. Les spectres de calibration sont obtenus pour une gamme suffisante de richesse et de pression. On va maintenant décrire quelques moyens concrets d'estimer la richesse à partir de ces valeurs. D'une façon générale, les intensités normalisées I (ski) d'un spectre de la combustion, sélectionnées parmi les intensités mesurées Ai de ce spectre, seront comparées ou corrélées à des valeurs de même nature des spectres de calibration de la base de données 12, c'est-à-dire des valeurs calculées de la même façon sur ces spectres de calibration. La comparaison pourra porter sur les valeurs I (ski) directement, ou au contraire sur des combinaisons de plusieurs de ces valeurs [I (mai), I (kl), ...] du même spectre regroupées au moyen d'une fonction. Une variété de combinaisons intéressantes prend, pour les différents spectres de calibration, des valeurs C {I (Ài)} à évolution monotone en fonction de la richesse (P. Une courbe illustrant l'ensemble de valeurs d'une telle combinaison est la fonction 20 de la figure 3. Une façon simple d'exploiter le spectre de la combustion réelle consiste alors à calculer la valeur Cact de la combinaison pour ce spectre, et à en déduire la richesse actuelle (Dact par une corrélation menée sur la fonction 20. Cette méthode est particulièrement simple mais présente l'inconvénient que la fonction 20 doit présenter une variation suffisante de ses valeurs C pour qu'une détermination assez précise de la richesse (D soit possible. De plus, seules des combinaisons homogènes en intensités, c'est- à-dire qui soient des rapports de termes d'intensité élevés à la même puissance, sont indépendantes de l'obscurcissement du hublot ; cette condition n'est pas facilement conciliable avec la précédente, ce qui explique que le procédé de la figure 3 est souvent appliqué avec une autre variété de combinaisons et ne reste utilisable qu'avec une chambre de combustion 4 parfaitement propre. C'est pourquoi d'autres méthodes peuvent être préférées. L'une d'entre elles est décrite à l'aide du diagramme de la figure 4, et fait appel à la fois à une fonction monotone 21 analogue à celle 20 de la figure 3 et une fonction à forte pente 22 (dont les valeurs sont très sensibles à la richesse (D) ; cette dernière courbe n'est toutefois pas monotone et présente un point de rebroussement 23. Les fonctions 21 et 22 coïncident ici aussi avec des ensembles de valeurs que prennent deux combinaisons d'intensités de raies sur les spectres de calibration. On note Cact21 et Cact22 les valeurs des mêmes combinaisons calculées avec les intensités ki du spectre de combustion actuelle, et une corrélation complexe est menée pour en déduire la richesse actuelle de la combustion. On s'intéresse d'abord à la valeur Cact22 de la fonction à forte pente 22, qui permet une détermination précise mais ambiguë puisqu'elle correspond en général à plusieurs valeurs possibles de richesse (#1 et Ensuite, on effectue une corrélation linéaire sur la fonction 21 au moyen de la valeur Cact21. Ici, on obtient une estimation de la richesse proche de la deuxième valeur (D2, précédemment estimée, qu'on sélectionne donc alors que l'estimation directe de la richesse par la valeur Cact21 eût été entachée d'imprécision, la fonction 21 étant trop plate. Le procédé peut encore être perfectionné. Comme le montre la figure 5, on peut disposer d'une pluralité de fonctions à forte pente analogues à 22, ici notées 25 et 26, ou d'une pluralité de fonctions monotones, ici notées 27 et 28. Le procédé de détermination de la richesse zu repose encore sur une double corrélation mais il présente l'avantage de permettre des sélections entre fonctions de même nature : si par exemple on commence par calculer la valeur Cact26 donnée par le spectre de combustion actuelle pour la combinaison de la fonction 26 et qu'on trouve que cette valeur est proche de celle du point de rebroussement 29 de celle-ci, on calcule plutôt Cact25 pour déduire la valeur de la richesse (Pact d'une corrélation sur la fonction 25. En d'autres termes, on ne se fondera que sur les portions effectivement à forte pente des fonctions 25 et 26 pour effectuer la détermination. La fonction monotone 27 pourra être associée à la fonction 25, et la fonction monotone 28 à la fonction 26 pour sélectionner la richesse véritable de la même façon qu'à la figure 4. Dans d'autres modes de réalisation, on pourra utiliser une pluralité de fonctions monotones pour occuper toute la plage utile de la richesse . Bien d'autres modes de réalisation de l'exploitation des spectres sont possibles : on peut par exemple exploiter un réseau de neurones grâce à la base de données spectrales. Cette technique limite le travail de dépouillement de la base de données, mais offre souvent une précision inférieure à une corrélation directe des données et est plus complexe à mettre en oeuvre d'un point de vue informatique. Il faut noter que toutes ces méthodes offrent aussi la possibilité d'éviter une mesure additionnelle de la pression et de l'estimer par corrélation des informations spectrales. En effet, on a constaté que la pression avait une influence sur l'intensité spectrale de certaines bandes. Les tableaux comparatifs peuvent donc comporter des paramètres représentatifs de ces variations, et une corrélation est faite aussi sur ces paramètres pour en déduire la pression. Toutefois, les résultats nécessaires à l'ajustement de la richesse sont peut-être dans ce cas moins précis, c'est pourquoi il peut être préférable de mesurer directement la pression pour qu'on puisse procéder plus rapidement aux corrélations vues plus haut. Des essais ont démontré que des variations de richesse provoquées volontairement étaient détectées fidèlement très rapidement, en quelques secondes ou même quelques dixièmes de seconde. Le procédé s'est révélé insensible à des obscurcissements même très importants du hublot, allant jusqu'à environ 75% d'absorption de la lumière. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de richesse d'une combustion, caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre (9), une fibre optique (8) reliée au spectromètre et aboutissant à un accès optique tel qu'un hublot (7) donnant regard à la combustion, une base de données (22) contenant des données sur la combustion à diverses richesses, et un moyen (11) de traitement de spectres du spectromètre et de comparaison de résultats du traitement desdits spectres aux données. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le spectromètre est un spectromètre à basse résolution, intégré à un moyen de calcul tel qu'un ordinateur (10) et apte à mesurer le contenu spectral de la lumière détectée. 3. Procédé de réglage de richesse d'une combustion, caractérisé en ce qu'il consiste, avant de régler un débit d'un ingrédient de la combustion, à prendre un spectre de la combustion, à traiter le spectre en en tirant des informations relatives à au moins un groupe de longueurs d'onde du spectre, et à comparer des résultats provenant desdites informations à des résultats de même nature obtenus auparavant de spectres de calibration représentatifs de richesses respectives de la combustion pour en déduire un état présent de la richesse. 4. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon la revendication 3, caractérisé en ce que les informations sont des intensités lumineuses à des longueurs d'onde sélectionnées, et les résultats provenant desdites informations sont des valeurs de fonctions admettant lesdites intensités lumineuses comme variables. 5. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce que les fonctions expriment des rapports d'intensités lumineuses à différentes longueurs d'onde. 6. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les résultats obtenus des spectres de calibration comprennent une fonction monotone (21) de la richesse, et l'état présent de la richesse est déduit comme égal à une richesse d'un des spectres de calibration pour laquelle la fonction monotone est égale à un résultat de même nature provenant desdites informations. 7. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les résultats obtenus des spectres de calibration comprennent au moins une fonction à forte pente (23 ; 25,26) et une fonction monotone (21 ; 27, 28) de la richesse, et l'état présent de la richesse est déduit comme égal à une richesse d'un des spectres de calibration pour laquelle la fonction à forte pente est égale à un résultat de même nature provenant desdites informations, et la fonction monotone est la plus proche d'un autre résultat de même nature provenant desdites informations. 8. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs fonctions à forte pente et une sélection d'une de ces fonctions. 9. Procédé de réglage de richesse d'une combustion selon la revendication 4, caractérisé en ce que les longueurs d'onde sélectionnées comprennent des longueurs d'onde de pics d'intensité lumineuse. 10. Procédé de réglage de richesse de combustion selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il est complété par une mesure de pression d'un milieu de combustion, résultant d'une mesure d'autres intensités lumineuses sur le spectre de la combustion et de la comparaison desdites intensités à des intensités de même nature obtenues des spectres de calibration représentatifs de pressions respectives de la combustion.