Brevet FR2911680A1 — publié le 20080725

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure d'un débit de gaz sous pression ainsi qu'une station de remplissage de mise en oeuvre. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de mesure d'un débit de gaz sous pression dans une conduite par effet Coriolis comprenant : - une étape d'admission du gaz dans au moins une conduite de mesure, - une étape d'excitation en vibration de la ou des conduites de mesure par application d'une force ou d'un couple, - une étape de mesure de la réponse en vibration de la ou des conduites de mesure et - une étape d'estimation ou de calcul de la force de Coriolis exercée sur la ou les conduites de mesure à partir des caractéristiques des vibrations d'excitation et des vibrations de réponse à l'excitation, pour déterminer le débit massique de gaz dans la ou les conduites de mesure. La mesure précise d'un débit de gaz est une exigence particulièrement importante dans certaines applications, telles que le remplissage de réservoirs de gaz combustible sous pression. Les stations de distribution d'hydrogène sous haute pression permettent notamment de remplir des réservoirs de véhicules fonctionnant à l'hydrogène gazeux jusqu'à des pressions de 350 bar et 700 bar. Cet hydrogène est utilisé comme vecteur énergétique au même titre que l'essence ou le gaz naturel. Le gaz devient la propriété du client au moment du transfert dans le véhicule. Il faut donc pouvoir compter les molécules transférées lors des remplissages. Les conditions du gaz lors d'un tel transfert sont les suivantes : - la pression du gaz varie entre la pression atmosphérique et une pression maximum de remplissage (par exemple 438 bar pour un réservoir à 350 bar, et 875 bar pour un réservoir à 700 bar), - le gaz de remplissage peut être à la température ambiante ou légèrement sous refroidi (par exemple -40 / +85 C), - le débit dynamique du gaz peut être extrêmement variable, - la vitesse du gaz est importante dans la tuyauterie (écoulement compressible), Dans ces conditions, la meilleure méthode de mesure du débit de gaz est la méthode dite par effet CORIOLIS (voir la seule méthode fiable à ce jour selon les conditions). Selon cette méthode, le gaz passe dans un ensemble de tubes de mesure, par exemple dans deux tubes courbés et symétriques qui sont excités en vibration par un élément piézo-électrique. La réponse propre du système permet d'estimer la force de Coriolis exercée sur les tubes du fait de la vitesse du gaz, qui est directement fonction du débit massique dans le tube (avec correction en température). Cette méthode permet d'obtenir une mesure massique directe, indépendamment de la pression du gaz. Une courbe étude comparative peut montrer que pour l'application à une station de remplissage hydrogène haute pression, le débitmètre à effet Coriolis est le seul qui peut répondre à ce jour aux contraintes techniques. Pour des pressions élevées, par exemple supérieures à 350 ou 450 bar, les épaisseurs de tubes de mesure sont telles que la méthode de mesure de type CORIOLIS est inadaptée car l'excitation du tube est difficile du fait de sa rigidité induite par son épaisseur. De ce fait, dans certaines applications, la mesure d'un débit de gaz n'est pas possible ou pas fiable. Ceci particulièrement crucial lorsque l'on souhaite mesurer de façon précise à des fins de facturation les quantités d'hydrogène transférées dans les réservoirs des véhicules à pile à combustible ayant des pressions de services supérieures à 350 bar, particulièrement 700 bar ou plus. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé de mesure d'un débit de gaz sous pression selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que lors des étapes d'excitation et de mesure les conduites de mesure sont soumises à une pression externe déterminée présentant un différentiel de pression inférieur à 10 bar par rapport à la pression du gaz à l'intérieur des conduites de mesure. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -lors des étapes d'excitation et de mesure, les conduites de mesure sont soumises à une pression externe égale ou sensiblement égale à la pression du gaz à l'intérieur des conduites de mesure, - la pression du fluide circulant dans la ou les conduites est comprise entre 5 300 et 900 bar et de préférence entre 400 et 875 bar. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure d'un débit de gaz sous pression dans une conduite par effet Coriolis. Ce but est atteint par le fait que le dispositif de mesure d'un débit de gaz sous pression dans une conduite par effet Coriolis comprenant au moins une 10 conduite de mesure, au moins un organe d'excitation en vibration de la ou des conduites notamment par application d'une force ou d'un couple, au moins un organe de mesure de la réponse en vibration (force, couple, déplacement) de la ou des conduites, un organe de calcul du débit massique de gaz circulant dans les conduites de mesure à partir des caractéristiques des vibrations d'excitation et des 15 vibrations en réponse à l'excitation mesurées, caractérisé en ce que la ou les conduites de mesure, le ou les organes d'excitation et le ou les organes de mesure de la réponse en vibration sont disposés dans une enceinte soumise à une pression déterminée présentant un différentiel de pression inférieure à 10 bar par rapport à la pression du gaz à l'intérieur des conduites de mesure. 20 Selon d'autres particularités, l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enceinte est soumise à une pression égale ou sensiblement égale à la pression du gaz circulant à l'intérieur des conduites de mesure, - l'enceinte est étanche et en ce que la ou les conduites de mesure 25 communiquent fluidiquement avec le volume intérieur de l'enceinte via un ou plusieurs orifices d'équilibrage de pression, - le dispositif comprend deux conduites de mesure distinctes, disposées en parallèle selon le sens d'écoulement du gaz, les deux conduites ayant des formes complexes (courbures et/ou angles droits et/ou portions rectilignes) et étant 30 symétriques par rapport à un axe ou un plan de symétrie, - les deux conduites ont des portions d'entrée communes et des portions de sortie communes. Un autre but de l'invention est de proposer une station de remplissage de récipients de gaz sous pression, notamment d'un gaz constitué ou comprenant de l'hydrogène. Ce but est atteint par le fait que le la station de remplissage de récipients de gaz sous pression, notamment d'un gaz constitué ou comprenant de l'hydrogène, comporte une conduite de remplissage destinée à être connectée avec un récipient en vue de son remplissage, la conduite de remplissage comportant un dispositif de mesure du débit conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente schématiquement la structure et le fonctionnement d'un exemple de réalisation de l'invention. Le débitmètre 1 représenté à la figure unique 1 comprend une conduite 15 d'entrée 9 et une conduite de sortie 10 pour le gaz, destinées à être raccordées à une conduite de circulation de gaz dont le débit doit être mesuré. Entre les entrée 9 et sortie 10 le débitmètre comprend deux conduites 2, 3 ou tubes de mesure en parallèle et symétriques. Les tubes de mesures 2, 3 peuvent être du type droit avec des angles (les tubes peuvent aussi être en 20 forme dite en Oméga et/ou en U). Un organe 4 d'excitation en vibration des tubes 2, 3 tel qu'au moins une bobine de type piézo-électrique est agencée pour transmettre un effort aux tubes 2, 3. Un organe 5 de mesure de la réponse en vibration (force, couple, déplacement) est également prévu au niveau des tubes (par exemple une autre 25 bobine piézo-électrique). Les bobines excitatrice 4 et de mesure 5 peuvent être reliées à une logique de traitement de données 6. Les tubes 2, 3 de mesure, l'organe 4 d'excitation et l'organe 5 de mesure de la réponse en vibration sont disposés dans une enceinte 7 de protection 30 soumise à la même pression P que le gaz G dont le débit est mesuré. Comme représenté, un trou d'équilibrage des pressions peut être prévu dans l'enceinte 7 entre l'intérieure du tube 2, 3et le volume interne de l'enceinte 7. De ce fait, l'intérieur de l'enceinte est à la même pression que le fluide. Les tubes 2, 3 de mesure travaillent ainsi à la même pression que l'enceinte 7 quelle que soit la pression de service du débitmètre. Les tubes 2, 3 de mesure peuvent être dimensionnés avec une épaisseur relativement faible permettant une bonne réponse à la vibration d'excitation, même si la pression du gaz mesuré est importante. Seule l'enceinte 7 de confinement doit être dimensionnée avec une épaisseur nécessaire pour résister à la pression P du fluide. L'excitation du tube 2, 3 en vibration fonctionne donc quelle que soit la pression P du fluide mesuré. Le débitmètre 1 selon l'invention a ainsi un fonctionnement optimal et une mesure précise, quelle que soit la pression du gaz mesuré. Dans le cas d'une application de gaz contenant de l'hydrogène, les bobines d'excitation 4 et de mesure 5 sont dans une atmosphère gazeuse d'hydrogène sous pression ce qui n'est pas pénalisant (pas de présence d'air, donc pas d'inflammation en cas de court-circuit). En variante, l'enceinte est soumise à une pression déterminée constante ou non présentant un différentiel de pression déterminé par rapport à la pression maximale de travail du gaz dont le débit est mesuré (différentiel compris entre zéro et 10 bar par exemple). REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'un débit de gaz sous pression (P) dans une conduite par effet Coriolis comprenant : - une étape d'admission du gaz (G) dans au moins une conduite (2, 3) de mesure, - une étape d'excitation en vibration de la ou des conduites (2, 3) de mesure par application d'une force ou d'un couple, - une étape de mesure de la réponse en vibration de la ou des conduites (2, 3) de mesure et - une étape d'estimation ou de calcul de la force de Coriolis exercée sur la ou les conduites (2, 3) de mesure à partir des caractéristiques des vibrations d'excitation et des vibrations de réponse à l'excitation, pour déterminer le débit massique de gaz dans la ou les conduites (2, 3) de mesure, caractérisé en ce que lors des étapes d'excitation et de mesure les conduites (2, 3) de mesure sont soumises à une pression externe déterminée présentant un différentiel de pression inférieur à 10 bar par rapport à la pression (P) du gaz à l'intérieur des conduites (2, 3) de mesure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce que lors des étapes d'excitation et de mesure, les conduites (2, 3) de mesure sont soumises à une pression externe égale ou sensiblement égale à la pression (P) du gaz à l'intérieur des conduites (2, 3) de mesure. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ce la pression (P) du fluide circulant dans la ou les conduites est comprise entre 300 et 900 bar et de préférence entre 400 et 875 bar. 4. Dispositif de mesure d'un débit de gaz sous pression (P) dans une conduite par effet Coriolis comprenant au moins une conduite (2, 3) de mesure, au moins un organe (4) d'excitation en vibration de la ou des conduites (2, 3) notamment par application d'une force ou d'un couple, au moins un organe (5) de mesure de la réponse en vibration (force, couple, déplacement) de la ou des conduites (2, 3), un organe de calcul du débit massique de gaz circulant dans les conduites (2, 3) de mesure à partir descaractéristiques des vibrations d'excitation et des vibrations en réponse à l'excitation mesurées, caractérisé en ce que la ou les conduites (2, 3) de mesure, le ou les organes (4) d'excitation et le ou les organes (5) de mesure de la réponse en vibration sont disposés dans une enceinte (7) soumise à une pression (P) déterminée présentant un différentiel de pression inférieure à 10 bar par rapport à la pression (P) du gaz à l'intérieur des conduites (2, 3) de mesure. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce que l'enceinte est soumise à une pression (P) égale ou sensiblement égale à la pression (P) du gaz circulant à l'intérieur des conduites (2, 3) de mesure. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ce que l'enceinte est étanche et en ce que la ou les conduites (2, 3) de mesure communiquent fluidiquement avec le volume intérieur de l'enceinte (7) via un ou plusieurs orifices (8) d'équilibrage de pression. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ce qu'il comprend deux conduites (2, 3) de mesure distinctes, disposées en parallèle selon le sens d'écoulement du gaz, les deux conduites ayant des formes complexes (courbures et/ou angles droits et/ou portions rectilignes) et étant symétriques par rapport à un axe ou un plan de symétrie. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce les deux conduites (2, 3) ont des portions d'entrée communes et des portions de sortie communes. 9. Station de remplissage de récipients de gaz sous pression, notamment d'un gaz constitué ou comprenant de l'hydrogène, comportant une conduite de remplissage destinée à être connectée avec un récipient en vue de son remplissage, caractérisé en ce que la conduite de remplissage comporte un dispositif de mesure du débit conforme à l'une quelconque des revendications 4 à 8.30