Brevet FR2910130A1 — publié le 20080620

METHODE DE MESURE DE LA VITESSE D'UN GAZ La présente invention concerne un procédé de mesure de la vitesse d'un gaz. Plus particulièrement, l'invention concerne l'utilisation d'une colonne d'ensemencement dans un procédé pour mesurer la vitesse d'un gaz en circulation dans une enceinte par la méthode de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV). La Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) est une méthode connue qui fait partie des plus importantes techniques utilisées pour déterminer le champ de vitesse d'un fluide, comme par exemple un gaz, en mouvement. Cette méthode consiste à illuminer des particules mélangées au fluide étudié, par un rayonnement laser constituant ainsi une nappe laser. Lorsque les particules traversent la nappe, elles dispersent la lumière qui peut être récupérée par un capteur (généralement une caméra CCD, charge coupled device). On peut ainsi avoir une image du déplacement des particules dans cette nappe. L'interprétation des données nécessite le recours à un logiciel de traitement d'images qui peut repérer chaque particule et attribuer un vecteur de direction ou de vitesse à chacune. Cela donne des informations sur le déplacement des particules et donc du fluide dans un plan en 2D. Dans l'invention, les particules utilisées pour déterminer la vitesse d'un fluide par la méthode PIV sont injectées dans une enceinte dans laquelle le fluide est destiné à être mis en oeuvre. On connaît des systèmes d'injection de particules qui sont notamment les injecteurs de brouillard huileux dont le 2910130 2 principe de fonctionnement est basé sur la formation d'une émulsion gaz-huile (les gouttelettes d'huile jouant le rôle des particules précitées) qui est injectée dans l'enceinte dans laquelle les mesures de PIV sont à réaliser. 5 Cependant, ces systèmes d'injection ne sont bien adaptés que pour des mesures dans des enceintes contenant un gaz dont la pression n'excède pas 2 bars et dont la température demeure inférieure à 50 C. En outre, certaines 10 applications ne tolèrent pas de dépôt d'huile sur les parois du matériel ou les pièces en présence. De plus, l'utilisation de certaines huiles telles que l'huile d'olive peut entraîner des explosions. 15 On connait également un autre système qui est celui des injecteurs de fumées d'encens produites par exemple à partir de bâtonnets ou de granulés d'encens ou encore des injecteurs de fumigènes colorés. 20 Toutefois, il existe toujours le besoin de systèmes d'injection de particules nouveaux qui permettent de mesurer la vitesse d'un gaz dans toutes les conditions de pression et de température, qui soient inoffensifs pour la santé des expérimentateurs et sans danger d'explosion ou 25 d'incendie. Or, la demanderesse a maintenant découvert qu'il était possible d'utiliser une colonne d'ensemencement de particules solides dans un procédé de mesure de vitesse 30 d'un gaz dans une enceinte pour remédier à l'un ou plusieurs des inconvénients précités. L'invention vise plus particulièrement un procédé de mesure de la vitesse d'un gaz en circulation dans une 35 enceinte caractérisé en ce qu'il comprend : 2910130 3 le passage dudit gaz dans une colonne d'ensemencement, au travers d'un lit de particules solides, pour former un lit fluidisé, - le transport d'au moins une portion desdites 5 particules véhiculée par ledit gaz depuis ledit lit fluidisé jusque dans ladite enceinte, et - la mesure de la vitesse desdites particules dans ladite enceinte par la méthode de Vélocimétrie par Image de Particules (PIV). 10 Dans le contexte de cette description, le terme lit fluidisé définit un mélange gaz-particules solides situé au niveau du lit de particules qui se trouvait au repos avant l'arrivée du gaz vecteur dans la colonne 15 d'ensemencement. Au sens de l'invention, on entend par colonne d'ensemencement , un dispositif de forme quelconque apte à contenir ledit lit de particules, à être traversé par ledit 20 gaz et à être directement ou indirectement connecté à l'enceinte. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le gaz est choisi parmi l'azote, l'hélium, le 25 dioxyde de carbone, le propane, le gaz naturel, l'air, et leurs mélanges. En revanche, on préfère ne pas utiliser d'oxygène lorsque l'enceinte comprend une pièce métallique pour éviter tout risque d'étincelles et par la suite tout risque d'incendie ou d'explosion. 30 Selon un mode de réalisation avantageux, le gaz vecteur utilisé est identique au gaz qui conditionne l'enceinte. 35 Par ailleurs, il est avantageux d'utiliser un détendeur qui permet de réguler la pression d'injection du 2910130 4 gaz vecteur chargé, cette pression étant légèrement supérieure à celle régnant dans l'enceinte. Les particules solides de l'invention sont choisies 5 en fonction des conditions opératoires. La nature, la couleur, la granulométrie et la quantité des particules sont des paramètres à adapter aux températures de fonctionnement, au temps de séjour dans l'enceinte et à la détection par le système de mesure. Il peut notamment 10 s'agir de particules organiques ou inorganiques. Dans un mode de réalisation particulier, les particules solides sont choisies parmi l'oxyde de zirconium, le carbure de silicium, le verre, la silice, la 15 magnésie, le dioxyde de titane, l'amidon de blé, le polyamide (nylon ), et le polystyrène, et de préférence les particules solides sont en oxyde de zirconium. Leur diamètre moyen est avantageusement compris entre 0,5 et 30 pm, mieux, entre 1 et 5 pm et est de préférence de 3 pm. 20 Dans le cadre de cette description, l'expression compris(e) entre... s'entend comme incluant les bornes citées. 25 La quantité de particules est habituellement dosée manuellement et déposée dans le corps de la colonne. Ces particules sont éventuellement retenues par un matériau poreux qui distribue le gaz uniformément dans tout le volume du lit de particules. 30 Le matériau poreux permet de maintenir les particules solides dans la colonne d'ensemencement, et de par sa porosité, il a le rôle de filtre. On veillera en général à ce que les propriétés physiques et chimiques du matériau 35 poreux soient adaptées en fonction de l'application. Notamment, la taille des pores sera généralement telle que 2910130 5 la pression du gaz vecteur ne soit pas trop importante et que la diffusion du gaz à travers la poudre soit efficace. Le matériau poreux est également assez rigide en principe pour ne pas se rompre sous la pression du gaz. De plus, il 5 est de préférence facile à découper afin de pouvoir lui conférer le diamètre et la forme désirés et adaptés à la colonne d'ensemencement utilisée. Selon un mode de réalisation particulier, le matériau 10 poreux est un fritté en inox, en bronze, ou en verre. On peut citer notamment les matériaux poreux du type Poral INOX , Poral MONEL , Poral INCONEL , et Poral NICKEL . Le mélange gaz-particules solides est avantageusement 15 dirigé vers le point d'injection dans l'enceinte au moyen d'une tuyauterie dont le diamètre est adapté pour conserver un mélange homogène. Un autre objet de l'invention est l'utilisation d'une 20 colonne d'ensemencement pour générer des particules solides destinées à mesurer la vitesse d'un gaz par Vélocimétrie par Image de Particules PIV dans une enceinte. L'enceinte est notamment adaptée pour comprendre une 25 pièce métallique destinée à subir une trempe, c'est-à-dire une pièce métallique chauffée qui doit être refroidie plus rapidement qu'en la laissant tout simplement refroidir à température ambiante. Dans cet exemple, le procédé de mesure de la vitesse du gaz selon l'invention permet de 30 savoir si ladite pièce est refroidie de manière uniforme par l'étude des vecteurs de direction. Le procédé selon l'invention peut également avoir d'autres applications qui utilisent un procédé de mise en 35 suspension de particules dans un gaz. Il peut servir à mesurer la vitesse du gaz par l'intermédiaire de la mesure 2910130 6 de la vitesse des particules, mais aussi à vérifier la répartition des particules, notamment dans des applications nécessitant de connaître les mouvements d'aspiration ou de refoulement de gaz dans une enceinte ouverte ou de vérifier 5 l'homogénéité des débits sur un ensemble de brûleurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en 10 regard des dessins annexés. Sur les dessins: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un exemple de colonne d'ensemencement conforme à l'invention avant l'arrivée du gaz, 15 - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un exemple de colonne d'ensemencement conforme à l'invention alimentée par le gaz, la figure 3 est une vue générale prise du dessus d'une installation comprenant la colonne d'ensemencement 20 montée sur un four de type Lilliput . Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 25 La figure 1 illustre une colonne d'ensemencement 1, avant l'arrivée d'un gaz vecteur, qui comprend une entrée 4 pour le gaz vecteur, une sortie 5 dirigée vers une enceinte (non représentée sur la figure 1) et un fritté en matériau poreux 2 sur lequel repose un lit de particules solides 3. 30 La figure 2 illustre la colonne d'ensemencement 1 alimentée par un gaz vecteur 6, fourni par une bouteille de gaz ou un réseau de fluide (non représentés). Le gaz 6 pénètre dans la colonne 1 par l'entrée 4, traverse les 35 pores du fritté 2 et le lit de particules 3 pour former un lit fluidisé entrainant des particules 3 vers la sortie 5 2910130 7 jusqu'à l'enceinte à ensemencer (non représentée sur la figure 2). La figure 3 représente une installation 7 qui 5 comporte, comme enceinte, un four Lilliput de trempe gazeuse 100 équipé de hublots 200, 201, 202, et 203. Un échantillon 110, constitué d'une pièce métallique, est placé sensiblement au centre du four 100. Ce four 100 est alimenté en gaz de traitement thermique et de trempe. Le 10 gaz comprend un mélange d'hélium, d'argon et de propane respectivement contenus dans les récipients 101, 102 et 103. Durant la trempe, le gaz est recyclé et les pressions de trempe mises en oeuvres atteignent 4,5 bars. Le mélange gazeux entre dans le four 100 par une entrée 106, il est 15 recyclé ensuite par la boucle 108, traverse un échangeur 300, qui est refroidi par une circulation d'eau 600 afin d'abaisser sa température, avant d'être injecté à nouveau par une entrée 109 dans l'enceinte du four 100. 20 La colonne d'ensemencement 1 est alimentée par un gaz vecteur 6 composé d'hélium ou d'azote qui entraine des particules solides d'oxyde de zirconium dont la granulométrie est de 3 pm vers le four 100. Un laser haute puissance 400 tel qu'un laser Nd-Yag ou un laser à vapeur 25 de cuivre couplé à une lentille cylindrique émettant une nappe lumineuse 401 est installé sur le hublot 201. Le laser 400 illumine ainsi le mélange gaz-particules solides. Une caméra 500 qui détecte la lumière diffusée par les particules 3 et qui prend les images tous les temps Tn, est 30 placée sur le hublot 203. Les mesures sont réalisées pendant des cycles de trempe à froid ainsi que pendant des cycles de trempe après un traitement de cémentation à la température de 1000 C. L'ensemble laser et caméra est relié à un système de synchronisation 700. Celui-ci est géré par 35 un poste informatique 800 équipé d'un logiciel spécifique aux traitements d'image par la méthode PIV. 2910130 8 Par le positionnement des vecteurs de vitesse, on constate notamment que le refroidissement de la pièce métallique 110 est effectué de manière homogène et que le gaz est ralenti en amont des obstacles que représentent le 5 coin de la pièce métalliques 110 et le socle de support. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la vitesse d'un gaz en 5 circulation dans une enceinte caractérisé en ce qu'il comprend : le passage dudit gaz dans une colonne d'ensemencement au travers d'un lit de particules solides pour former un lit fluidisé, 10 - le transport d'au moins une portion desdites particules véhiculée par ledit gaz depuis ledit lit fluidisé jusque dans ladite enceinte, et - la mesure de la vitesse desdites particules dans ladite enceinte par la méthode de Vélocimétrie par Image de 15 Particules (PIV). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel le gaz est choisi parmi l'azote, l'hélium, le dioxyde de carbone, le propane, le gaz naturel, l'air, et leurs 20 mélanges. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel les particules solides sont choisies parmi l'oxyde de zirconium, le carbure de silicium, le verre, la silice, la 25 magnésie, le dioxyde de titane, l'amidon de blé, le polyamide, et le polystyrène, et de préférence les particules solides sont en oxyde de zirconium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 30 1 à 3 dans lequel les particules solides ont un diamètre moyen compris entre 0,5 et 30 pm, mieux, entre 1 et 5 pm, et de préférence de 3 pm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 35 1 à 4 dans lequel lesdites particules solides sont retenues par un matériau poreux. 2910130 10 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ledit matériau poreux est un fritté en inox, en bronze ou en verre. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'enceinte est une enceinte adaptée pour comprendre une pièce métallique destinée à subir une trempe gazeuse à l'aide d'un gaz de trempe. 10 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ledit gaz qui est passé dans la colonne d'ensemencement est différent du gaz de trempe. 15 9. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ledit gaz qui est passé dans la colonne d'ensemencement est identique au gaz de trempe. 10. Utilisation d'une colonne d'ensemencement pour 20 générer des particules solides destinées à mesurer la vitesse d'un gaz par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) dans une enceinte.5