Brevet FR2938916A1 — publié le 20100528

DISPOSITIF D'ECHANTILLONNAGE DE GAZ La présente invention concerne l'échantillonnage de gaz, et en particulier de gaz industriels, notamment en vue d'effectuer une analyse de leur composition. La présente invention s'applique notamment, à l'analyse de gaz chauds et humides, notamment dans des installations chimiques ou pétrochimiques, des cimenteries, des aciéries, des incinérateurs, ou des installations de traitement ou de production de gaz. Un dispositif d'échantillonnage comporte généralement une sonde de prélèvement de gaz et une canalisation pour transmettre les échantillons de gaz prélevés vers système d'exploitation des échantillons, tel qu'un analyseur de gaz. D'une manière générale, l'échantillonnage de gaz en vue de l'analyse de leur composition, constitue une étape clé, en particulier lorsque les gaz à prélever sont chauds et comportent une forte proportion d'eau sous forme de vapeur. Dans ce contexte, il est en effet délicat de réaliser des analyses fiables, et les dispositifs d'échantillonnage actuels nécessitent de fréquentes opérations de maintenance. En particulier, l'échantillonnage de gaz chauds et humides soulève un problème de condensation. En effet, le point de rosée (dew point), également appelé "température de condensation" de l'eau contenue dans des gaz chauds à teneur en vapeur d'eau élevée peut atteindre plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de degrés Celsius. Il en résulte qu'à température ambiante, la vapeur d'eau contenue dans ces gaz risque de se condenser en gouttelettes qui se déposent sur les parois en contact avec les gaz. Si les gaz prélevés comportent des molécules solubles dans l'eau, ces molécules ont tendance à être captées et à se dissoudre dans les gouttelettes. Il en résulte que la composition des gaz qui sont transmis au dispositif d'exploitation ne correspond pas à la composition des gaz prélevés. Le dispositif d'échantillonnage de gaz peut donc influer sur la composition des gaz prélevés et donc sur la qualité des mesures effectuées si le système qui exploite les échantillons de gaz prélevés est un analyseur de gaz. Par ailleurs, les gouttelettes formées sur des parois peuvent entrainer des phénomènes de corrosion, et ce d'autant plus que les gouttelettes peuvent être acides en raison des molécules de gaz qui y sont dissoutes. Le dispositif d'échantillonnage de gaz peut donc également influer sur les coûts et les conditions d'exploitation du système dans lequel il est intégré. Certains dispositifs d'échantillonnage de gaz sont conçus pour maintenir les gaz prélevés à une température supérieure au point de rosée de la vapeur d'eau contenue dans les gaz prélevés, à la fois dans la sonde et dans la canalisation. Ainsi certains de ces dispositifs sont conçus pour maintenir l'échantillon des gaz prélevés à une température qui peut atteindre une ou deux centaines de degrés Celsius. De tels dispositifs présentent donc un coût de fabrication élevé, en raison notamment de la complexité de la canalisation qui doit être chauffée et de la présence nécessaire de régulateurs de température, des coûts d'exploitation et de maintenance également élevés en raison notamment de l'énergie nécessaire pour maintenir le dispositif à une température relativement élevée. En outre, ces dispositifs impliquent que le système d'exploitation soit également conçu pour fonctionner à la même température. D'autres dispositifs d'échantillonnage comprennent une sonde chauffée et un dispositif pour assécher 35 l'échantillon gazeux prélevé. Un tel dispositif d'assèchement met en œuvre des membranes, ou un moyen de refroidissement. Ces dispositifs présentent également des coûts de fabrication et de maintenance élevés en raison de la présence du dispositif de séchage qui peut nécessiter des opérations de maintenance fréquentes avec certains gaz à prélever. En outre ces dispositifs dénaturent l'échantillon prélevé, puisqu'ils en modifient la composition. D'autres dispositifs d'échantillonnage prévoient de diluer l'échantillon prélevé dans un autre gaz, tel que de l'air dépoussiéré. A cet effet, ces dispositifs comportent une sonde qui n'est pas nécessairement chauffée, un système de Venturi assurant l'aspiration des échantillons de gaz et leur dilution, une canalisation non chauffée et un système fournissant le gaz de dilution sous pression avec un débit élevé. Ces dispositifs présentent également l'inconvénient de dénaturer l'échantillon prélevé puisque sa composition se trouve également modifiée en raison de sa dilution dans un autre gaz, et ce d'autant plus que le gaz de dilution peut en outre apporter des impuretés. Par ailleurs, si le dispositif d'échantillonnage est relié à un dispositif d'analyse, celui-ci doit être très sensible pour pouvoir détecter des composants gazeux en faible quantité en raison de la dilution. Il est donc souhaitable de pouvoir prélever des échantillons de gaz en s'affranchissant du phénomène de condensation, mais sans les dénaturer ou avoir besoin de les maintenir à une température élevée, de les assécher, ou encore de les diluer. Dans un mode de réalisation, il est prévu un procédé d'échantillonnage de gaz comprenant des étapes de prélèvement de gaz par une sonde et de transmission des gaz prélevés dans une canalisation, et d'abaissement de la pression des gaz prélevés avant leur transmission, pour abaisser le point de rosée des gaz prélevés circulant dans la canalisation. Selon un mode de réalisation, l'abaissement de la pression des gaz prélevés est effectué afin de maintenir la pression des gaz circulant dans la canalisation inférieure à une valeur telle que la température des gaz dans la canalisation reste supérieure au point de rosée des gaz dans la canalisation, compte tenu de la température de la canalisation. Selon un mode de réalisation, l'abaissement de la pression des gaz prélevés est effectué par aspiration des gaz au travers d'une buse de détente. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d'ajustement de la puissance d'aspiration des gaz prélevés au travers d'une buse de détente calibrée de type sonique, à une valeur telle que la pression des gaz prélevés circulant de la canalisation reste inférieure au tiers de la pression des gaz prélevés en amont de la buse de détente, compte tenu de variations de la puissance d'aspiration en l'absence de régulation. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de régulation de la puissance d'aspiration des gaz prélevés pour maintenir sensiblement constante la pression dans la canalisation. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de filtrage des gaz prélevés pour extraire des particules solides susceptibles d'être présentes dans les gaz prélevés, avant abaissement de la pression. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de chauffage de la canalisation pour maintenir la température de la canalisation au dessus du point de rosée des gaz prélevés. Dans un mode de réalisation, il est également prévu un dispositif d'échantillonnage de gaz comprenant une sonde de prélèvement de gaz et une canalisation pour transmettre les gaz prélevés, et des moyens d'abaissement de la pression des gaz prélevés dans la canalisation, pour abaisser le point de rosée des gaz prélevés. Selon un mode de réalisation, les moyens d'abaissement de la pression des gaz prélevés sont configurés afin de maintenir la pression des gaz dans la canalisation inférieure à une valeur telle que la température des gaz dans la canalisation reste supérieure au point de rosée des gaz dans la canalisation, compte tenu de la température de la canalisation. Selon un mode de réalisation, les moyens d'abaissement de la pression comprennent une buse de détente des gaz prélevés communiquant avec la canalisation, et un dispositif d'aspiration des gaz prélevés dans la canalisation. Selon un mode de réalisation, la buse de détente est une buse sonique. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'aspiration présente une puissance d'aspiration supérieure à une valeur telle que la pression des gaz prélevés circulant de la canalisation reste inférieure au tiers de la pression des gaz prélevés en amont de la buse de détente, compte tenu de variations de la puissance d'aspiration en l'absence de régulation du dispositif d'aspiration. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de régulation de la puissance d'aspiration du dispositif d'aspiration des gaz prélevés pour maintenir sensiblement constante la pression dans la canalisation. Selon un mode de réalisation, la sonde comprend un filtre pour extraire des particules solides susceptibles d'être présentes dans les gaz prélevés. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens de chauffage pour augmenter la température de la canalisation au dessus du point de rosée des gaz prélevés. Selon un mode de réalisation, le dispositif d'aspiration comprend une pompe disposée en aval de la 5 canalisation, compte tenu du sens de circulation des gaz prélevés dans la canalisation. Dans un mode de réalisation, il est également prévu un système d'analyse de gaz, comprenant un dispositif d'échantillonnage tel que défini précédemment, et un 10 analyseur de gaz basse pression du type basé sur une détection par spectrométrie à mesure de décroissance d'énergie dans une cavité résonnante. Des exemples de réalisation de l'invention seront 15 décrits dans ce qui suit, à titre non limitatif en relation avec les figures jointes dans lesquelles : La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'échantillonnage de gaz selon un mode de réalisation, couplé à un dispositif d'exploitation 20 d'échantillons de gaz, La figure 2 représente schématiquement un dispositif d'échantillonnage de gaz selon un autre mode de réalisation, couplé à un dispositif d'exploitation d'échantillons de gaz. 25 La figure 1 représente un dispositif d'échantillonnage de gaz comprenant une sonde 1 et une canalisation 2 reliant la sonde à un dispositif d'exploitation d'échantillons de gaz EXD. Le dispositif EXD est relié à un dispositif d'aspiration 3 tel qu'une 30 pompe, par une canalisation 4 en communication avec la canalisation 2 au travers du dispositif EXD. Ainsi, le dispositif d'aspiration aspire du gaz prélevé par la sonde 1. Le dispositif d'aspiration 3 est relié à un dispositif de traitement et/ou d'évacuation PRCS des gaz 35 prélevés. La sonde 1 comprend une entrée de gaz 10, un filtre 11 pour éliminer des particules solides éventuellement présentes dans les gaz pénétrant dans la sonde par l'entrée 10, et une buse de détente 12 telle qu'un tronçon de tube capillaire, recevant les gaz traités par le filtre 11 et dont la sortie est reliée à la canalisation 2. La combinaison du dispositif d'aspiration 3 et de la buse de détente 12 permet d'obtenir dans les canalisations 2, 4 et dans le dispositif EXD une pression, inférieure à la pression des gaz à l'entrée 10 de la sonde 1. Le dispositif d'aspiration peut être associé à des moyens de régulation pour maintenir à une valeur de consigne la pression dans la canalisation 2 et dans le dispositif d'exploitation EXD. Selon un mode de réalisation, les caractéristiques de la buse 12 et du dispositif d'aspiration 3 sont choisies pour abaisser la pression des gaz dans les canalisations 2, 4 et dans le dispositif EXD, de manière à abaisser le point de rosée des gaz prélevés par la sonde 1. Selon un mode de réalisation, la pression dans les canalisations 2, 4 et dans le dispositif EXD est maintenue en dessous d'une valeur telle que la température des canalisations 2, 4 et du dispositif EXD reste supérieure au point de rosée le plus élevé des gaz dans les canalisations 2, 4 et dans le dispositif EXD. Dans les applications visées, les gaz prélevés comportent généralement de la vapeur d'eau et donc le point de rosée le plus élevé des gaz prélevés et celui de l'eau. Ainsi, les gaz dans les canalisations 2, 4 et dans le dispositif EXD ne peuvent pas se condenser. Il n'est ainsi pas nécessaire de chauffer les canalisations 2, 4 et le dispositif EXD, ou de diluer les gaz, ou encore les assécher. Les gaz prélevés ne sont donc pas dénaturés. Par ailleurs, en raison de leur faible pression par rapport à la pression atmosphérique, les gaz prélevés peuvent circuler rapidement dans les canalisations 2, 4. Il en résulte que les gaz prélevés restent peu en contact avec les canalisations. La sonde 1 et le dispositif de transport des gaz prélevés constitué des canalisations 2, 4 et du dispositif d'aspiration présentent également l'avantage d'être notablement plus simples que ceux de l'art antérieur. Il en résulte que le dispositif d'échantillonnage présente à la fois des coûts de fabrication, d'exploitation et de maintenance notablement plus réduits que les dispositifs d'échantillonnage de l'art antérieur. La buse 12 est par exemple une buse calibrée de type sonique qui assure un débit constant de gaz 15 lorsqu'est réalisée la condition suivante : Pl - P2 > 2 P2 (1) dans laquelle P1 est la pression des gaz prélevés en amont (compte tenu du sens de circulation des gaz dans la buse), et P2 est la pression des gaz prélevés en aval de 20 la buse. Lorsque la condition (1) est réalisée, la vitesse d'écoulement des gaz au droit de la section minimum de passage des gaz dans la buse atteint la vitesse du son dans ces gaz. En d'autres termes, la condition (1) est réalisée lorsque la pression dans la 25 canalisation 2 est inférieure au tiers de la pression en amont de la buse 12. Par conséquent, tant que la pression dans la canalisation 2 satisfait la condition (1), elle est indépendante de la puissance d'aspiration du dispositif 3. 30 La puissance d'aspiration du dispositif d'aspiration 3 peut être ajustée afin de toujours satisfaire la condition (1) même si elle subit des variations liées la technologie employée pour réaliser le dispositif d'aspiration, en l'absence de régulation. De 35 cette manière, le débit de gaz dans les canalisations 2, 4 est constant et peut être déterminé avec précision, sans avoir besoin de réguler la puissance d'aspiration. Etant un élément purement statique, la buse 12 présente également l'avantage de ne pas nécessiter d'opérations de maintenance si elle est réalisée dans des matériaux inertes vis-à-vis des gaz susceptibles d'être prélevés par la sonde 1. Il est à noter que la détente de gaz provoque généralement un refroidissement des gaz prélevés. Si la température des gaz à prélever, c'est-à-dire de la sonde 1 est supérieure à la température ambiante de la canalisation 2 et du dispositif d'exploitation EXD, les gaz refroidis par détente sont réchauffés par la sonde. Ainsi, l'abaissement de température résultant de la détente des gaz est au moins en partie compensé par la température ambiante de la sonde. Si les gaz à prélever sont à la température ambiante de la canalisation 2 et du dispositif d'exploitation EXD, le point de rosée est inférieur à la température ambiante. L'abaissement de pression à réaliser est donc faible, de sorte que l'abaissement de température résultant de la détente des gaz est également faible. Il peut se produire qu'il ne soit pas possible d'atteindre une pression dans la canalisation suffisamment basse pour éviter la condensation des gaz prélevés, compte tenu de la puissance d'aspiration admissible ou compte tenu d'une pression minimum requise pour l'exploitation des gaz prélevés. Cette situation peut se produire lorsque les gaz à prélever sont très chauds et très humides, de sorte que le point de rosée des gaz est très élevée, et que la température ambiante de la canalisation 2 est basse. Les canalisations 2 et 4 et le dispositif d'exploitation EXD peuvent alors être associés à des moyens tels qu'une isolation thermique, ou de chauffage, pour les maintenir à une température supérieure au point de rosée des gaz prélevés. Ainsi, la figure 2 représente un dispositif d'échantillonnage qui diffère de celui de la figure 1 en ce que les canalisations 2 et 4 sont équipées de moyens de chauffage 22, et en ce que le dispositif d'exploitation EXD comprend une chambre chauffée 21 dans laquelle circulent les gaz prélevés. Il convient de préciser que les moyens de chauffage 22 restent sans comparaison avec les moyens de chauffage qui sont nécessaires dans les dispositifs de l'art antérieur transmettant les gaz prélevés à la pression atmosphérique, puisque le point de rosée des gaz prélevés a été abaissée et ce d'une manière qui peut être importante, par la buse 12 combinée au dispositif d'aspiration 3. En effet, dans certaines applications, les moyens de chauffage nécessaires dans l'art antérieur doivent pouvoir porter la canalisation à une température qui peut atteindre deux centaines de degrés Celsius, tandis que les moyens de chauffage 22 qui pourraient être nécessaires dans le dispositif d'échantillonnage de la figure 2 doivent pouvoir porter les canalisations 2, 4 au à une température maximum de une ou deux dizaines de degrés Celsius. Le dispositif d'exploitation EXD comprend par exemple un dispositif d'analyse de gaz, et/ou un dispositif pour réaliser des mélanges avec d'autres gaz. Dans un mode de réalisation, le dispositif d'exploitation EXD comprend un analyseur de gaz basse pression basé sur une détection par spectrométrie à mesure de décroissance d'énergie dans une cavité résonnante CRDS (Cavity Ring-Down Spectroscopy). Un tel analyseur est par exemple décrit dans les demandes de brevet WO9957542 (également publiée sous le numéro US 6,504,145), et WO 2003/031949 (également publiée sous le numéro US 7,450,240). Un tel analyseur comprend une cavité optique résonnante dans laquelle circulent les gaz prélevés, une source laser telle qu'une diode laser, fournissant un faisceau laser dont la longueur d'onde est ajustable, qui est envoyé dans la cavité résonnante. La lumière sortant de la cavité résonnante est reçue par un photodétecteur, le signal fourni par le photodétecteur étant analysé par un circuit d'analyse de signal. Le faisceau laser est appliqué à la cavité durant des périodes de durée ajustable, de sorte qu'entre les périodes d'émission du faisceau laser, les photons piégés dans la cavité subissent une décroissance exponentielle en fonction du temps. Si la cavité est vide, ou si la longueur d'onde des photons se trouve en dehors d'une raie d'absorption d'un gaz se trouvant dans la cavité, la décroissance des photons piégés dans la cavité présente une certaine constante de temps dépendant essentiellement de pertes introduites par les miroirs formant la cavité résonnante. Cette constante de temps est réduite si le spectre d'absorption d'un gaz présent dans la cavité comporte une raie d'absorption à la longueur d'onde des photons piégés dans la cavité. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention est susceptible de diverses variantes de réalisation. En particulier, l'invention n'est pas limitée à un dispositif d'abaissement de la pression comprenant une buse de détente et une pompe d'aspiration. Ainsi la pompe peut être remplacée par une source de vide, telle que le vide spatial si le dispositif d'échantillonnage est destiné à équiper un engin spatial, ou une source de dépression, par exemple si les gaz à prélever par la sonde sont à une pression supérieure à la pression atmosphérique.35 REVENDICATIONS1. Procédé d'échantillonnage de gaz comprenant une étape de prélèvement de gaz par une sonde (1) et de transmission des gaz prélevés dans une canalisation (2), caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'abaissement de la pression des gaz prélevés avant leur transmission, pour abaisser le point de rosée des gaz prélevés circulant dans la canalisation (2). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'abaissement de la pression des gaz prélevés est effectué afin de maintenir la pression des gaz circulant dans la canalisation (2) inférieure à une valeur telle que la température des gaz dans la canalisation reste supérieure au point de rosée des gaz dans la canalisation, compte tenu de la température de la canalisation. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'abaissement de la pression des gaz prélevés est effectué par aspiration des gaz au travers d'une buse de détente (12). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une étape d'ajustement de la puissance d'aspiration des gaz prélevés au travers d'une buse de détente calibrée de type sonique (12), à une valeur telle que la pression des gaz prélevés circulant de la canalisation (2) reste inférieure au tiers de la pression des gaz prélevés en amont de la buse de détente, compte tenu de variations de la puissance d'aspiration en l'absence de régulation. 12 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une étape de régulation de la puissance d'aspiration des gaz prélevés pour maintenir sensiblement constante la pression dans la canalisation (2). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une étape de filtrage des gaz prélevés pour extraire des particules solides susceptibles d'être présentes dans les gaz prélevés, avant abaissement de la 10 pression. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant une étape de chauffage de la canalisation (2) pour maintenir la température de la canalisation au 15 dessus du point de rosée des gaz prélevés. 8. Dispositif d'échantillonnage de gaz comprenant une sonde (1) de prélèvement de gaz et une canalisation (2) pour transmettre les gaz prélevés, 20 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (12, 3) d'abaissement de la pression des gaz prélevés dans la canalisation (2), pour abaisser le point de rosée des gaz prélevés. 25 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel les moyens (12, 3) d'abaissement de la pression des gaz prélevés (2) sont configurés afin de maintenir la pression des gaz dans la canalisation (2) inférieure à une valeur telle que la température des gaz dans la 30 canalisation reste supérieure au point de rosée des gaz dans la canalisation, compte tenu de la température de la canalisation. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans 35 lequel les moyens d'abaissement de la pression 5comprennent une buse de détente (12) des gaz prélevés communiquant avec la canalisation (2), et un dispositif d'aspiration (3) des gaz prélevés dans la canalisation (2). 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, dans lequel la buse de détente (12) est une buse sonique. 10 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel le dispositif d'aspiration présente une puissance d'aspiration supérieure à une valeur telle que la pression des gaz prélevés circulant de la canalisation (2) reste inférieure au tiers de la pression des gaz 15 prélevés en amont de la buse de détente (12), compte tenu de variations de la puissance d'aspiration en l'absence de régulation du dispositif d'aspiration (3). 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 20 11, comprenant des moyens de régulation de la puissance d'aspiration du dispositif d'aspiration (3) des gaz prélevés pour maintenir sensiblement constante la pression dans la canalisation (2). 25 14. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 13, dans lequel la sonde (1) comprend un filtre (11) pour extraire des particules solides susceptibles d'être présentes dans les gaz prélevés. 30 15. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 14, comprenant des moyens de chauffage pour augmenter la température de la canalisation (2) au dessus du point de rosée des gaz prélevés. 16. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 15, dans lequel le dispositif d'aspiration comprend une pompe (3) disposée en aval de la canalisation (2), compte tenu du sens de circulation des gaz prélevés dans la canalisation. 17. Système d'analyse de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'échantillonnage selon l'une des revendications 8 à 16, et un analyseur de gaz basse pression du type basé sur une détection par spectrométrie à mesure de décroissance d'énergie dans une cavité résonnante.