Brevet FR2895796A1 — publié le 20070706

La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé d'extraction de gaz dissous dans un liquide et de mesure de leur pression totale. Des gaz dissous dans un liquide sont généralement complexes à analyser, car ils sont plutôt rares par rapport à la proportion de liquide. En revanche, les méthodes d'analyse des gaz présents dans une atmosphère sont souvent plus directes et plus accessibles. La pression totale des gaz dissous dans un liquide est une donnée importante à connaître lorsque l'on souhaite s'avancer dans l'analyse des gaz dissous dans un liquide. C'est notamment le cas dans le domaine de l'aquaculture où l'on a besoin régulièrement de connaître notamment la teneur en oxygène de l'eau dans laquelle sont élevés les poissons. A la connaissance du présent demandeur, il n'existe pas à ce jour de système simple qui permet d'extraire les gaz dissous d'un liquide et, dans le même 15 temps, d'en connaître la pression totale. La présente invention vise à combler cette lacune. Dans ce but, elle propose un dispositif d'extraction des gaz dissous dans un liquide et de mesure de leur pression totale qui comprend une conduite d'amenée de ce liquide dit "liquide brut". 20 Ce dispositif se caractérise par le fait que : - ladite conduite débouche dans une chambre dite "chambre confinée", dans laquelle règne initialement une première pression de référence, mais qui est isolée de l'extérieur ; - cette conduite est adaptée pour distribuer ledit liquide de manière à 25 favoriser la dispersion des gaz présents dans le liquide dans l'atmosphère de la chambre ; - dans cette chambre débouche la première extrémité d'un tube, par lequel s'écoule le trop plein de liquide ; - ce tube plonge dans un puits rempli de liquide, ce puits étant 30 soumis à une seconde pression de référence, de sorte que les gaz dispersés dans l'atmosphère de la chambre confinée provoquent une variation de niveau de liquide à l'intérieur dudit tube par rapport au niveau de liquide à l'intérieur du puits, cette variation étant directement proportionnelle à la pression de gaz dissous dans le liquide brut. Il apparaît donc de ce qui précède que l'on a, à l'aide de ce dispositif, des moyens pour extraire les gaz dissous du liquide brut et, par là même, une 5 indication visuelle de leur pression totale. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce dispositif : - ladite première et/ou ladite seconde pression(s) de référence est/sont égale(s) à la pression atmosphérique. 10 - ladite conduite d'amenée est pourvue de moyens de pulvérisation du liquide brut dans ladite chambre confinée sous forme de gouttelettes ; - ladite conduite d'amenée est disposée à l'intérieur de ladite chambre confinée de telle manière que ledit liquide brut s'y déverse en cascade ; - ledit tube s'étend sensiblement verticalement ; 15 - ledit tube est associé à une tubulure collectrice de bulles, dont l'extrémité inférieure ouverte se situe à proximité de celle dudit tube, tandis que son extrémité supérieure, également ouverte débouche dans la chambre confinée, au dessus du niveau de liquide, de telle sorte que les éventuelles bulles de gaz qui sont entraînées par ledit liquide dans ledit tube, sont captées par ladite tubulure et 20 récupérées à l'intérieur de la chambre confinée ; -l'atmosphère de la chambre confinée est reliée à un manomètre de niveau, par exemple à eau ou à mercure, de bourdon ou à quartz ; - ladite chambre confinée est pourvue de moyens permettant une prise d'échantillon de gaz, notamment à des fins d'analyse. 25 Par ailleurs, la présente invention se rapporte également à un procédé d'extraction des gaz dissous dans un liquide et de mesure de leur pression totale qui se caractérise par le fait qu'il consiste à : - alimenter en ce liquide, dit "liquide brut", une chambre dite "chambre confinée", dans laquelle règne initialement une première pression de 30 référence, mais qui est isolée de l'extérieur, à l'aide d'une conduite qui est adaptée pour distribuer ledit liquide de manière à favoriser la dispersion des gaz présents dans le liquide brut dans l'atmosphère de la chambre, dans cette chambre débouchant la première extrémité d'un tube, par lequel s'écoule le trop plein de liquide, ce tube plongeant dans un puits rempli de liquide, ce puits étant soumis à 35 une seconde pression de référence, - laisser les gaz dispersés dans l'atmosphère de la chambre confinée provoquer une variation de niveau de liquide à l'intérieur dudit tube par rapport au niveau de liquide à l'intérieur du puits, - mesurer cette variation qui est directement proportionnelle à la 5 pression de gaz dissous dans le liquide brut. Dans un mode de réalisation préféré de ce procédé, ladite première et/ou ladite seconde pression(s) de référence est/sont égale(s) à la pression atmosphérique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 10 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre de certains modes de réalisation préférés. Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'une forme de réalisation possible du dispositif selon l'invention ; 15 - les figures 2, 3 et 4 sont des schémas simplifiés du dispositif de la figurel, destinés à en expliquer le principe de fonctionnement ; - la figure 5 est un schéma de principe d'une première forme de réalisation des moyens d'amenée du liquide brut dans la chambre confinée ; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 5, de seconds moyens 20 d'amenée ; la figure 7 est une vue schématique d'une variante du dispositif de la figure 1 ; - les figures 8 et 9 sont des courbes comparatives de valeurs de pression mesurées à l'aide du dispositif selon l'invention d'une part, et à l'aide d'un 25 tensionomètre électronique, d'autre part. Le dispositif conforme à l'invention, représenté à la figure 1, est un ensemble 1, par exemple construit en acier tel que de l'acier inoxydable, ou en tout autre type de matière non dégradable, telle qu'une matière plastique ou composite. Ce dispositif présente ici la forme d'une colonne de grande hauteur. 30 Dans sa partie supérieure est prévue une enceinte confinée 2 qui est reliée à une conduite d'amenée 5 de liquide, ce liquide étant qualifié de liquide brut, car il renferme des gaz dissous. Il porte sur la figure la référence LB. Cette conduite 5 débouche par son extrémité aval 50 dans la chambre confinée 2. 35 Sur la conduite d'amenée est branchée un manomètre 51 dont la fonction est de mesurer le débit de liquide dans cette canalisation. Comme indiqué plus haut, la chambre 2 est dite confinée, ce qui signifie qu'il y règne une première pression de référence, par exemple la pression atmosphérique, mais avec la condition particulière que cette chambre est isolée de l'extérieur, c'est-à-dire qu'elle n'est pas mise en relation avec la pression qui règne à l'extérieur du dispositif. Cependant, et comme visible sur la figure, la chambre 2 est pourvue de moyens 200 permettant une prise d'échantillon de gaz, notamment à des fins d'analyse. Toutefois, ces moyens, constitués par exemple par une petite canalisation, sont fermés aussitôt après la prise d'échantillon, de manière à ce que l'atmosphère à l'intérieur de la chambre reste complètement isolée de la pression extérieure. Dans ce but, des moyens de fermeture automatique, par exemple à clapet, peuvent être prévus. La partie supérieure 20 de la chambre 2 qui est directement reliée à la conduite 5 présente une hauteur réduite. Elle communique en direction du bas de la colonne avec un réceptacle tubulaire vertical 21, dont l'extrémité inférieure 210 est fermée. Parallèlement à ce réceptacle 21 s'étend également un long tube 3 dont les extrémités supérieure 30 et inférieure 31 sont ouvertes. Il présente une hauteur légèrement inférieure à celle de la colonne. Son extrémité supérieure 30 débouche dans la chambre confinée 2, tandis que son extrémité inférieure 31, qui se situe à proximité du fond de la colonne, est en communication avec un puits qui est constitué par la partie de la colonne distincte de la chambre confinée. Sur la figure, ce puits porte la référence 4. Dans ce mode de réalisation, le réceptacle 21 plonge dans le puits 4. Ce n'est pas forcément le cas. Ainsi, on pourrait avoir affaire à une chambre 2 strictement parallélépipédique, mais de hauteur importante, et séparée du puits 4 par son fond. Dans sa partie supérieure, le puits 4 est mis en relation avec la 30 pression atmosphérique par une conduite d'évacuation de trop plein référencée 6. Enfin, à la base de la colonne, et communiquant directement avec le puits 4, est prévue une conduite de vidange 7 qui, bien entendu en cours d'utilisation, est obturée par tout moyen approprié tel qu'un bouchon 70. Avant d'expliquer comment on utilise le dispositif selon l'invention, 35 on se reportera préalablement aux figures 2, 3 et 4 qui permettent de bien comprendre les différents phénomènes mis en oeuvre. 25 Pour ce faire, on va considérer qu'une eau de surface, telle qu'une eau de rivière, de lac, d'océan ou d'une installation piscicole contient des gaz dissous qui sont la plupart du temps en équilibre avec l'atmosphère, c'est-à-dire avec l'air. En référence à la figure 2, on va considérer que cette eau s'écoule à travers une canalisation d'amenée 5 et va tomber en cascade à l'intérieur d'une chambre confinée 2. L'eau va sortir de cette chambre par un tube d'évacuation de trop-plein 3 dont l'extrémité inférieure plonge dans un puits 4 de liquide L qui est ici en relation avec la pression atmosphérique. Le niveau de liquide L dans le puits 4 constitue un barrage hydraulique qui empêche les gaz renfermés dans la chambre confinée de s'échapper et à l'atmosphère d'y entrer. Préalablement à cela et tant que le liquide brut ne coule pas, le niveau NI dans le puits 4 et le niveau N2 dans le tube 3 sont identiques. En effet, la pression atmosphérique s'exprime sur les deux niveaux de liquide. En référence à la figure 3, un débit d'eau LB dans la canalisation 5 est maintenant établi. Cette canalisation se remplit totalement et la chute d'eau dans la chambre 2 forme une émulsion qui a pour conséquence d'augmenter la surface d'échange entre l'atmosphère de la chambre confinée 2 et le liquide LB. Le trop-plein de liquide, débarrassé des gaz dissous, s'évacue par le tube 3 dans le puits 4. L'échange des gaz dissous entre le liquide et l'atmosphère confinée tend vers un équilibre qui sera atteint après un laps de temps dépendant de paramètres explicités plus loin. Toujours en référence à la figure 3, le niveau d'eau N2 dans le tube 3 n'est pas constant est à plutôt tendance à descendre. Après un temps d'expérience, on constate que ce niveau se stabilise. Une différence de niveau entre le liquide à l'intérieur de ce tube 3 et le liquide à l'intérieur du puits 4 peut être mesurée. Cette différence entre les deux niveaux N2 et NI est référencée Hl sur la figure 3. On dira que cette différence de niveau est positive. Dans le cas de la figure 4, le niveau d'eau N2 à l'intérieur du tube 3 a plutôt tendance à monter et, comme précédemment, il se stabilise. Dans ce cas, une 30 différence de niveau négative H2 peut être mesurée. La différence de niveau positive ou négative est indicative d'une pression ou d'une dépression à l'intérieur de la chambre confinée 2. Un calcul simple met en évidence la pression de l'atmosphère à l'intérieur de cette chambre. En effet, les différences de niveau H1 et H2 correspondent à la 35 surpression (figure 3) ou à la dépression (figure 4) mesurables de l'atmosphère dans la chambre confinée 2 par rapport à la pression atmosphérique. Cette hauteur mesurée est le reflet direct de la pression relative des gaz dissous dans le liquide, par exemple exprimée en millimètres de mercure. Il y a bien entendu lieu d'ajouter la valeur de la pression atmosphérique, également en millimètres de mercure, pour obtenir la pression absolue des gaz dissous dans le liquide. La mesure de la pression partielle d'oxygène constituant une partie de l'atmosphère à l'intérieur de la chambre confinée, comparée à celle de l'oxygène dissous, indique que les valeurs sont identiques (valeur ramenée aux conditions normales de pression). La teneur en oxygène de l'atmosphère de la chambre confinée est donc bien le reflet de son homologue sous forme dissoute (exprimée en pression partielle). On dispose donc ainsi d'un principe hydraulique qui permet de connaître la pression totale des gaz dissous dans le liquide. En revenant maintenant à la figure 1, on peut maintenant expliquer le fonctionnement du dispositif. De l'eau ou plus généralement un liquide LB contenant des gaz dissous est admis dans la canalisation 5. Sur celle-ci est branchée par exemple une pompe d'alimentation. Dans un autre mode de réalisation, il peut s'agir d'une canalisation sous pression. Le manomètre 51 qui est montée sur la canalisation 5, à proximité de son extrémité aval, renseigne à tout moment de la pression de liquide. Celui-ci est distribué à l'intérieur de la chambre confinée 2, de manière à s'y déverser en cascade, autrement dit de manière à favoriser la dispersion des gaz présents dans le liquide LB dans l'atmosphère 20 de la chambre. Cette dispersion est en effet augmentée dès lors que la surface d'échange entre l'atmosphère et le liquide est grand. Une chute en cascade permet d'atteindre cet objectif. Les bulles B de gaz ainsi générées sont entraînées dans le flux de liquide à l'intérieur de la canalisation 21, puis remontent à la surface où s'opère un 30 échange avec l'atmosphère de la chambre confinée. L'excédent de liquide L (il porte cette référence et non plus la référence LB car il est débarrassé des gaz) qui déborde de la canalisation 21 s'évacue par trop-plein dans le tube 3 qui plonge dans le puits 4. L'augmentation de la pression de gaz ainsi générée dans la chambre 2 35 provoque une baisse du niveau N2 de liquide dans le tube 3. Comme déjà dit plus haut, ce puits étant relié à la pression atmosphérique, la différence de hauteur H entre ce niveau N2 et le niveau N1 du puits 4 traduit directement la valeur de la surpression de gaz occasionnée. Dans un mode de réalisation, la différence de hauteur H est lue directement sur le tube 3 qui comporte des graduations visibles à cet effet. Mais il est préférable que l'atmosphère de la chambre confinée soit reliée à un manomètre de niveau, par exemple à eau ou à mercure, de Bourdon ou à quartz. Ainsi que cela a été dit plus haut, la chambre 2 est le lieu entre les 10 gaz dissous et l'atmosphère. Dans ces conditions, l'interface liquide/gaz doit être optimisée afin de rendre l'échange de gaz le plus rapide possible et donc d'obtenir la mesure souhaitée dans un temps convenable. Lors d'un transfert liquide / gaz, trois paramètres essentiels rentrent 15 en ligne de compte. Il s'agit du temps d'échange, de la différence de pression entre liquide et gaz, et la surface d'échange entre ceux-ci. Dans le cas présent, il est souhaité d'avoir une lecture de la pression la plus rapide possible. Il est donc délibérément choisi d'améliorer autant que possible la surface d'échange gaz / liquide. 20 A la figure 5 est représentée une forme de réalisation des moyens d'amenée du liquide brut dans la chambre confinée, qui permettent d'atteindre ce but. Il s'agit ici de moyens de pulvérisation 52 du liquide LB qui diffusent dans la chambre 2 un brouillard de gouttelettes G. Bien entendu, plus la taille de 25 gouttelettes est petite, plus la surface d'échange est grande. Dans la forme de réalisation de la figure 6, les moyens utilisés sont ceux déjà représentés en référence à la figure 1. En utilisant un jet de liquide LB compact et de forte puissance, on crée alors un impact important à la surface du liquide déjà présent dans la chambre, qui favorise l'échange gaz / liquide. 30 La forme de réalisation de la figure 7 présente de nombreux points communs avec celle de la figure 1. Les références identiques sur ces deux figures désignent les mêmes objets ou des objets similaires. En principe, la section du tube 3 est prévue pour évacuer le liquide 35 excédentaire de la chambre 2, sans entraîner de gaz sous forme de bulles. Toutefois, dans le cas où le liquide est entraîné à vitesse importante dans le tube, il peut arriver que des bulles y soit mêlées. C'est pourquoi s'étend dans le puits 4 une tubulure 8 collectrice de bulles, dont l'extrémité inférieure ouverte 80 se situe à proximité de celle dudit tube 3, tandis que son extrémité supérieure 81, également ouverte, débouche dans la chambre confinée 2, au dessus du niveau de liquide. Ainsi, quand des bulles de gaz qui sont entraînées par le liquide dans le tube 3, elles sont captées par la tubulure 8 et sont récupérées à l'intérieur de la chambre confinée 2. L'eau débarrassée des bulles repart dans le puits par une conduite 9. Dans les modes de réalisation qui viennent d'être décrits, on a pris le cas le plus simple, à savoir celui dans lequel la première pression de référence, c'est à dire celle qui règne dans la chambre confinée, et la seconde pression de référence à laquelle est soumis le puits 4 sont égales à la pression atmosphérique. Cependant, tel n'est pas toujours le cas. Ainsi, il arrive qu'on ait affaire à des liquides qui possèdent une pression importante en gaz dissous. On peut citer par exemple les eaux et boissons gazeuses et certains gaz de pétrole. Dans ce cas, la conduite 6 du puits peut être partiellement obturée par une vanne de réglage manuelle ou automatique, qui a pour but de créer une contre-pression. Cette contre-pression mesurée par un manomètre, ajoutée à la différence de niveau H constitue alors la pression totale des gaz dissous. A l'opposé, d'autres liquides possèdent peu de gaz dissous. Il s'agit par exemple de l'eau ultra-pure, l'eau profonde de lac ou de mer eutrophisées. Dans ce cas la hauteur totale du dispositif peut atteindre jusqu'à onze mètres, en considérant de la densité de l'eau. La précision de la lecture de la pression totale des gaz dissous est de l'ordre de quelques millimètres de hauteur de liquide. Ceci correspond à la lecture de quelques dizaines de ppb (partie par milliard) de gaz dissous. Une variante du dispositif, dans le but de construire un puits de longueur réduite, consiste à aspirer le liquide dans la conduite 6, avec une pompe par exemple. Cette opération crée alors une dépression (valeur à mesurer à l'aide d'un manomètre), et en faisant la somme algébrique de l'ensemble (H étant positif ou négatif), on obtient la valeur de pression des gaz dissous. En référence aux figures 8 et 9, des essais de fonctionnement du dispositif selon l'invention ont été comparés aux valeurs données par un tensionomètre électronique donnant la pression totale des gaz dissous dans l'eau d'une rivière. Les courbes donnent en ordonnées les valeurs de pression, exprimées en millimètres de mercure (mm Hg) et en Pascals (Pa), en fonction des prélèvements, ceux-ci étant régulièrement répartis sur une journée à la figure 8 et sur quatre jours à la figure 9. Les courbes de résultats obtenus avec le dispositif selon l'invention sont celles assorties de points de mesure en forme de losanges, tandis que les courbes de résultats obtenus avec le tensionomètre sont celles assorties de points de mesure en forme de carrés. Bien entendu, la hauteur du tube 3 (et par conséquent celle du 10 dispositif) sera choisie suffisamment grande pour être compatible avec la différence de niveau H. Le tube 3 n'est pas forcément vertical. L'ensemble du dispositif peut être prévu en plusieurs parties démontables, notamment afin d'en faciliter le nettoyage. 15 De même, il est préférable que la conduite 5 soit démontable, de manière à pouvoir en assurer le nettoyage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'extraction des gaz dissous dans un liquide et de mesure de leur pression totale, qui comprend une conduite d'amenée (5) dudit liquide, dit "liquide brut" (LB), caractérisé par le fait que : - ladite conduite (5) débouche dans une chambre (2) dite "chambre 5 confinée", dans laquelle règne initialement une première pression de référence, mais qui est isolée de l'extérieur ; - cette conduite (5) est adaptée pour distribuer ledit liquide (LB) de manière à favoriser la dispersion des gaz présents dans le liquide dans l'atmosphère de la chambre (2) ; 10 - dans cette chambre (2) débouche la première extrémité (30) d'un tube (3), par lequel s'écoule le trop plein de liquide (LB) ; - ce tube (3) plonge dans un puits (4) rempli de liquide (L), ce puits étant soumis à une seconde pression de référence, de sorte que les gaz dispersés dans l'atmosphère de la chambre 15 confinée (2) provoquent une variation (H) de niveau (N2) de liquide (L) à l'intérieur dudit tube (3) par rapport au niveau (Ni) de liquide (L) à l'intérieur du puits (4), cette variation étant directement proportionnelle à la pression de gaz dissous dans le liquide brut (LB). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 20 ladite première et/ou ladite seconde pression(s) de référence est/sont égale(s) à la pression atmosphérique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite conduite d'amenée (5) est pourvue de moyens de pulvérisation du liquide brut (LB) dans ladite chambre confinée (2) sous forme de gouttelettes. 25 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite conduite d'amenée (5) est disposée à l'intérieur de ladite chambre confinée (2) de telle manière que ledit liquide brut (LB) s'y déverse en cascade. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube (3) s'étend sensiblement verticalement. 30 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit tube (3) est associé à une tubulure (8) collectrice de bulles, dont l'extrémité inférieure ouverte (80) se situe à proximité de celle dudit tube (3), tandis que son extrémité supérieure (81), également ouverte, débouche dans la chambreconfinée (2), au dessus du niveau de liquide (LB), de telle sorte que les éventuelles bulles de gaz qui sont entraînées par ledit liquide dans ledit tube (3), sont captées par ladite tubulure (8) et récupérées à l'intérieur de la chambre confinée (2). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'atmosphère de la chambre confinée (2) est reliée à un manomètre de niveau, par exemple à eau ou à mercure, de bourdon ou à quartz. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite chambre confinée (2) est pourvue de moyens (200) permettant une prise d'échantillon de gaz, notamment à des fins d'analyse. 9. Procédé d'extraction des gaz dissous dans un liquide et de mesure de leur pression totale, caractérisé par le fait qu'il consiste à : -alimenter en ce liquide, dit "liquide brut" (LB), une chambre (2) dite "chambre confinée", dans laquelle règne initialement une première pression de référence, mais qui est isolée de l'extérieur, à l'aide d'une conduite (5) qui est adaptée pour distribuer ledit liquide (LB) de manière à favoriser la dispersion des gaz présents dans le liquide (LB) dans l'atmosphère de la chambre (2), dans cette chambre (2) débouchant la première extrémité (30) d'un tube (3), par lequel s'écoule le trop plein de liquide (L), ce tube plongeant dans un puits (4) rempli de liquide (L), ce puits étant soumis à un seconde pression de référence ; - laisser les gaz dispersés dans l'atmosphère de la chambre confinée (2) provoquer une variation (H) du niveau (N2) de liquide (L) à l'intérieur dudit tube (3) par rapport au niveau (NI) de liquide (L) à l'intérieur du puits (4), -mesurer cette variation (H) qui est directement proportionnelle à la pression de gaz dissous dans le liquide brut (LB). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite première et/ou ladite seconde pression(s) de référence est/sont égale(s) à la pression atmosphérique.