Brevet FR3038052A1 — publié le 20161230

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'estimation de la masse de gaz contenu dans un réservoir de gaz sous pression. L'invention concerne plus particulièrement un procédé d'estimation de la masse de gaz contenu dans un réservoir de volume connu dans lequel cette masse m(t) de gaz est calculée avec une équation d'état des gaz parfaits ou réels à partir des valeurs mesurées suivantes : la pression P(t) du gaz dans le réservoir, la température T(t) du gaz dans le réservoir, dans lequel, la pression P(t) du gaz dans le réservoir est mesurée à l'entrée du réservoir. En particulier, un but de l'invention est de proposer un moyen d'estimation 10 précis et économique de la masse de gaz restant dans un réservoir de gaz sous pression. L'invention peut s'appliquer notamment aux réservoirs d'hydrogène sous pression. Bien entendu, l'invention peut s'appliquer à tout autre type de gaz industriel ou médical (hélium, N2, 02,...). De même, l'invention peut s'appliquer à 15 un réservoir constitué d'une bouteille ou d'un ensemble de bouteilles (cadre). Dans certaines applications (réservoirs de carburant gazeux notamment), la connaissance précise de la masse de gaz restante dans le réservoir peut être une information critique. Une solution connue pour déterminer la masse de gaz restante consiste à 20 peser le réservoir. Cette solution a cependant plusieurs inconvénients parmi lesquels une précisions relativement faible. En effet, Pour un réservoir de 50kg (en composite) ou bien plus (en métal), la masse d'hydrogène gazeux peut être de l'ordre de moins de 2kg. Mesurer avec précision élevée la quantité de gaz restante (5% par exemple) nécessite des moyens de pesage très précis et donc très 25 coûteux. De plus, la mesure de masse est très sensible aux vibrations et turbulences autour du réservoir. Une autre solution connue consiste à mesurer le débit massique de gaz sortant du réservoir. Cette solution renseigne sur le débit massique et pas sur la masse de gaz présente dans le réservoir. De plus, de tels débitmètres posent des 30 questions de précision de mesure et de coût. Une autre solution consiste à calculer la masse de gaz dans le réservoir via une équation d'état du gaz. Pour cela, la température du gaz dans le réservoir doit être connue. Cependant, mesure la température du gaz dans le réservoir est 3038052 2 malaisé (intégration d'un capteur à l'intérieur du réservoir) et la valeur mesurée à un endroit dans le réservoir n'est pas forcément représentative de la température moyenne du gaz dans le réservoir. D'autre solutions calculent par un modèle mathématique la température moyenne ou la détermine à partir d'une mesure de 5 la température de la paroi du réservoir. Ces méthodes sont soit peu précises soit difficiles à mettre en oeuvre. En particulier, la température de la paroi du réservoir est peu représentative de la température du gaz dans le cas de réservoirs composites. 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 selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la température T(t) du gaz dans le réservoir est mesurée au niveau de l'entrée du réservoir pendant une phase de soutirage de gaz du réservoir. L'invention permet ainsi de déterminer facilement la température moyenne du gaz dans le réservoir lors de sa vidange. Cette valeur de température combinée à la valeur de pression (également facilement mesurée) permet de calculer facilement la masse de gaz restante dans le réservoir. En effet, une telle masse est calculée classiquement via une équation d'état du gaz (équation des gaz réels ou parfaits) car tous les autres paramètres peuvent être connus au préalable. Ceci permet d'obtenir à moindre coût une estimation précise de la masse de gaz dans le réservoir. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la température T(t) du gaz dans le réservoir est mesurée à un distance comprise entre zéro et 100cm et de préférence entre 10cm et 50cm de l'entrée du réservoir, - le réservoir comprend un orifice de soutirage raccordé à une tubulure de soutirage, la température T(t) du gaz dans le réservoir est mesurée dans la tubulure de soutirage, à l'extérieur du volume de stockage du réservoir à proximité de l'entrée du réservoir, 3038052 3 - la température T(t) du gaz dans le réservoir est mesurée via un thermocouple ayant des dimensions comprises entre 0,1 et 1mm et de préférence comprises entre 0,25mm et 0,5mm, - le thermocouple est placé dans la portion de la tubulure de soutirage 5 ayant le plus petit diamètre de la tubulure et de préférence comprise entre 3mm et 10mm, - le thermocouple est placé au centre de la tubulure de soutirage, - une isolation thermique est disposée sur la tubulure au moins au niveau où se trouve le thermocouple, 10 - le calcul de la masse m(t) de gaz dans le réservoir est réalisé après une durée déterminée après le début d'un soutirage et de préférence entre dix et cent secondes après le début d'un soutirage, c'est-à-dire que la température T(t) mesurée au temps t pour calculer la masse m(t) à ce temps t n'est pas réalisé avant dix à cent secondes après le début du remplissage, 15 - la masse m(t) de gaz dans le réservoir est calculée en temps réel à partir des mesures en continue de la pression P(t)) du gaz dans le réservoir et de la température T(t) du gaz dans le réservoir, - la masse m(t) de gaz dans le réservoir au temps t en kg est calculée selon l'équation des gaz parfaits suivante : m(t)=(Mg.P(t).V)/(R.Z.T(t)), dans laquelle Mg 20 est la masse molaire du gaz (en kg/mol), P(t) la pression de gaz dans le réservoir au temps (en Pa), V le volume connu du réservoir (en m3), R la constante des gaz parfaits connue (en J. mol-'.K-1), T(t) la température mesurée (en K) et Z le facteur connu de compressibilité du gaz, L'invention concerne également un dispositif d'estimation de la masse de 25 gaz contenu dans un réservoir de gaz sous pression comprenant un capteur de pression du gaz dans le réservoir agencée au niveau de l'entrée du réservoir, un capteur de température T(t) du gaz dans le réservoir disposé au niveau de l'entrée du réservoir, une logique électronique de stockage et de traitement de données recevant les mesures des capteurs de pression et de température, la logique 30 électronique étant configurée pour stocker ou recevoir la valeur du volume V du réservoir et les termes d'une équation des gaz parfaits ou réel dudit gaz et pour calculer la masse m(t) de gaz dans le réservoir à partir de cette équation et 3038052 4 desdites valeurs mesurées de la pression P(t) et de la température T(t) du gaz pendant une phase de soutirage du réservoir. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 5 D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un détail de l'extrémité d'un réservoir, illustrant une structure possible d'un dispositif selon l'invention, 10 - la figure 2 représente un graphique, schématique et partiel, illustrant un exemple de variation de la pression mesurée et de températures moyenne réelle et mesurée du gaz dans le réservoir lors d'un soutirage d'un dispositif conforme à la figure 1, - la figure 3 représente une vue, schématique et partielle, illustrant un 15 exemple de logigramme d'étapes susceptibles d'être mises en oeuvre selon l'invention. La figure 1 représente une vue en coupe schématique de l'extrémité d'un réservoir 1 au niveau d'un orifice de soutirage/remplissage. Le dispositif comprend un capteur 6 de pression du gaz dans le réservoir 1 20 agencée au niveau de l'entrée du réservoir 1. C'est-à-dire que le capteur 6 de pression mesure la pression à la sortie du réservoir 1. Classiquement cette mesure est représentative de la pression du gaz dans le réservoir 1. Bien entendu, la pression pourrait être mesurée également dans le réservoir (bien que cela soit moins pratique). 25 Le dispositif comprend également un capteur 3 de température T(t) du gaz dans le réservoir 1 disposé au niveau de l'entrée/sortie du réservoir 1. C'est-à-dire que le capteur 3 mesure la température du gaz à l'extérieur du volume de stockage du réservoir 1, à proximité de l'entrée du réservoir 1. Par exemple, l'orifice de soutirage est raccordé à une tubulure 2 de soutirage et le capteur 3 de 30 température mesure la température dans la tubulure 2 de soutirage. Le dispositif comprend en outre une logique 5 électronique de stockage et de traitement de données (comprenant par exemple un microprocesseur, un calculateur, un ordinateur ou tout autre appareil approprié) recevant les mesures 3038052 5 des capteurs de pression 6 et de température 3. La logique 5 électronique est configurée (par exemple programmée ou commandée) pour stocker ou recevoir la valeur du volume V du réservoir 1 et les termes d'une équation des gaz parfaits ou réel dudit gaz et pour calculer la masse m(t) de gaz dans le réservoir 1 à partir de 5 cette équation et desdites valeurs mesurées de la pression P(t) et de la température T(t) du gaz pendant une phase de soutirage du réservoir 1. En effet, les inventeurs ont mis en évidence que, contre toute attente, la température du gaz mesurée lors d'un soutirage à la sortie d'un réservoir est très proche de la température moyenne du gaz dans le réservoir 1. 10 La figure 2 illustre un exemple de résultats de mesures expérimentales illustrant cette caractéristique. Cette figure illustre la variation de la température moyenne du gaz Tm(t) (en °C) en fonction du temps t dans le réservoir (courbe munie de croix), de la température T(t) mesurée à l'entrée du réservoir (en °C) en fonction du temps t (courbe munie de cercles) et de la pression P(t) (en bara) 15 mesurée à l'entrée du réservoir en fonction du temps t (courbe discontinue) lors d'un soutirage. Le temps t est exprimé en seconde. Cet essai a été réalisé sur un réservoir 1 de volume de 95Iitres de forme générale cylindrique ayant un rapport L/D de sa longueur L sur son diamètre D d'environ 1,5. 20 Les courbes illustrent clairement que la température T(t) mesurée à la sortie du réservoir 1 lors d'un soutirage est très proche de la température Tm(t) moyenne réelle dans le réservoir 1 (la température moyenne a été mesurée à l'aide de thermocouples dans le réservoir 1 selon plusieurs points distincts). Dans cet exemple, le débit de soutirage a été modifié au cours du soutirage sans 25 remettre en cause cette corrélation entre la température mesurée T(t) et la température réelle Tm(t). Les inventeurs ont réalisé d'autres essais (avec d'autres gaz, d'autres volumes de réservoirs, d'autres débits de soutirage constants ou non, des soutirages en deux étapes séparées par une période d'interruption et de stabilisation, des pressions de départ de 700bara ou 350 bara...). A chaque fois, 30 la température du gaz T(t) mesurée lors d'un soutirage à la sortie d'un réservoir 1 reste très proche de la température moyenne Tm(t) du gaz dans le réservoir 1. 3038052 6 Pour augmenter la précision d'une telle mesure de température T(t), de préférence la mesure est réalisée à une distance comprise entre zéro et un 100cm et de préférence entre 5cm et 50cm et notamment 20cm de l'entrée du réservoir 1. De même, préférentiellement, la température T(t) est mesurée via un 5 capteur de type thermocouple 3 ayant des dimensions comprises entre 0,1 et 5mm et de préférence comprises entre 0,25mm et 0,5mm. De plus, de préférence, le thermocouple 3 est placé dans la portion de la tubulure 2 de soutirage ayant la section la plus petite (le cas échéant si la section et notamment le diamètre varie selon la longueur). Par exemple, le capteur 3 de 10 température est placé dans une conduite 2 de soutirage ayant une section ou diamètre compris entre 3mm et lOmm. En outre, pour éviter une perturbation éventuelle de la mesure, de préférence une isolation thermique 4 est placée à l'extérieur, sur la tubulure 2, par exemple depuis la jonction entre la tubulure et la bouteille, jusqu'au niveau où se 15 trouve le thermocouple (et le cas échéant au-delà du thermocouple 3 comme représenté schématiquement sur la figure 1). De préférence, le calcul de la masse ne s'effectue pas dans les premières 40 secondes après le début d'un remplissage et notamment pas dans les premières 25 secondes. Après cette période d'attente, la précision est améliorée 20 (moins de 5°C d'écart sur la température, ce qui donne une faible erreur sur la masse, environ 3%). Selon la précision souhaitée et les conditions de soutirage cette durée de latence pourra donc être adaptée (par exemple 25 secondes pour une précision à 10°C près ou 50 secondes pour une précision inférieure à 5°C). 25 En effet, comme constaté à la figure 2, un écart entre la température mesurée T(t) à l'entrée et la température moyenne Tm(t) réelle peut être constaté en début de soutirage entraînant une précision un peu moindre (entre 5 et 10°C par exemple). A noter qu'une différence de 10°C entre la température mesurée T(t) et la 30 température réelle du gaz dans le réservoir 1 contribue à une erreur au plus de 5% sur la masse de gaz calculée avec cette valeur. Cet écart de température peut être de 20°C au tout début du soutirage et très rapidement après (quelque secondes ou dizaines de secondes), la 3038052 7 température mesurée T(t) mesurée en sortie devient très proche de la température du gaz dans le réservoir 1. En cas d'interruption du remplissage, la température du gaz dans le réservoir et à l'entrée peuvent augmenter de façon similaire (en raisons des 5 échanges thermiques). En mesurant une température moyenne du gaz T(t) et la pression P(t) il est alors aisé de calculer la masse m(t) de gaz dans le réservoir 1. La masse m(t) de gaz (en kg) dans le réservoir 1 au temps t peut notamment être calculée selon la formule : m(t)=(Mg.P(t).V)/(R.Z.T(t)), dans 10 laquelle Mg est la masse molaire du gaz (en kg/mol), P(t) la pression de gaz dans le réservoir (1) au temps (t) (en Pa), V le volume connu du réservoir (en m3), R la constante des gaz parfaits connue (en J. mol-'.K-1), T(t) la température mesurée (en K) et Z le facteur connu de compressibilité du gaz Ce calcul peut être réalisé en temps réel, par exemple de façon périodique. 15 Le facteur Z de compressibilité du gaz peut notamment être donné par de stables connues établies par l'organisme « NIST » et peut être stocké dans une mémoire de la logique 5 électronique. Un exemple non limitatif de mise en ouvre de la méthode est illustré à la figure 3. 20 Dans une première étape 10 la masse courante m(t) dans le réservoir 1 peut connue (suite à un remplissage par exemple ou un calcul précédent) ou peut être inconnue. Lors d'une étape 11 suivante le dispositif peut recevoir une information de surveillance du circuit pour détecter ou non un début de soutirage, par exemple 25 via la détection 7 d'une position ou de l'état d'une vanne du circuit de soutirage (et/ou une mesure de pression dans le circuit 2). Sur la base de ces informations, à l'étape 12 suivante le dispositif détermine s'il y a un début de soutirage ou non. S'il y a un début de soutirage mais si la durée du soutirage est inférieure à 30 un seuil (durée d'ouverture du circuit ou de la vanne inférieure à un seuil de temporisation déterminé, par exemple quelques secondes ou dizaines de secondes), la masse courante m(t) reste la masse (t) précédemment connue (ou 3038052 8 non) (« N », étape 13). C'est-à-dire qu'il n'y a pas de calcul pour actualiser la masse m(t). De même, s'il n'est pas détecté de soutirage la masse courante m(t) reste la masse (t) précédemment connue (ou non) (« N », étape 13). 5 Si le temps de soutirage détecté est jugé suffisant (« Y »), lors de l'étape 14 suivante les valeurs de pression P(t) et de températures T(t) sont mesurées et prises en compte pour le calcul (étape 15) de la masse de gaz m(t+1) dans le réservoir actualisée au temps ultérieur. Le processus peut recommencer à l'étape 10 initiale. 10 A noter que l'étape 12 durant laquelle il est vérifié si le soutirage (vanne ouverte par exemple) a été suffisamment long peut être supprimée. En effet, du fait que le gaz est soutiré, la température du gaz dans le réservoir sera en principe toujours inférieure à la température du gaz mesurée au niveau de la sortie. 15 Ainsi, on sait que la valeur de la température du gaz mesurée au niveau de la sortie est supérieure à la valeur moyenne réelle de la température du gaz dans le réservoir. La masse calculée avec cette température surévaluée par rapport à la réalité sera donc sous-évaluée pendant quelque secondes (le temps que la valeur mesurée à l'extérieur se rapproche plus de la valeur réelle à l'intérieur du réservoir 20 1). C'est-à-dire que la valeur de la masse calculée au final sera légèrement sous- évaluée ce qui n'est pas forcément un problème dans certaines applications. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation de la masse de gaz contenu dans un réservoir (1) de volume (V) connu dans lequel cette masse m(t) de gaz est calculée avec une équation d'état des gaz parfaits ou réels à partir des valeurs mesurées suivantes : la pression P(t) du gaz dans le réservoir (1), la température T(t) du gaz dans le réservoir (1), dans lequel, la pression P(t) du gaz dans le réservoir (1) est mesurée à l'entrée du réservoir (1), caractérisé en ce que la température T(t) du gaz dans le réservoir (1) est mesurée au niveau de l'entrée du réservoir (1) pendant une phase de soutirage de gaz du réservoir (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température T(t) du gaz dans le réservoir (1) est mesurée à un distance comprise entre zéro et 100cm et de préférence entre 10cm et 50cm de l'entrée du réservoir (1). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le réservoir (1) comprend un orifice de soutirage raccordé à une tubulure (2) de soutirage et en ce que la température T(t) du gaz dans le réservoir (1) est mesurée dans la tubulure (2) de soutirage, à l'extérieur du volume de stockage du réservoir (1) à proximité de l'entrée du réservoir (1). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température T(t) du gaz dans le réservoir (1) est mesurée via un thermocouple (3) ayant des dimensions comprises entre 0,1 et 1mm et de préférence comprises entre 0,25mm et 0,5mm. 5. Procédé selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le thermocouple (3) est placé dans la portion de la tubulure (2) de soutirage ayant le plus petit diamètre de la tubulure et de préférence comprise entre 3mm et 10mm. 6. Procédé selon les revendications 3 et 4 ou 5, caractérisé en ce que le thermocouple (3) est placé au centre de la tubulure (2) de soutirage. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'une isolation thermique (4) est disposée sur la tubulure (2) au moins au niveau où se trouve le thermocouple. 3038052 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le calcul de la masse m(t) de gaz dans le réservoir (1) est réalisé après une durée déterminée après le début d'un soutirage et de préférence entre dix et cent secondes après le début d'un soutirage, c'est-à- 5 dire que la température T(t) mesurée au temps t pour calculer la masse m(t) à ce temps t n'est pas réalisé avant dix à cent secondes après le début du remplissage. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la masse m(t) de gaz dans le réservoir (1) est calculée 10 en temps réel à partir des mesures en continue de la pression P(t)) du gaz dans le réservoir (1) et de la température T(t) du gaz dans le réservoir (1). 10.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la masse m(t) de gaz dans le réservoir (1) au temps t en kg est calculée selon l'équation des gaz parfaits suivante : 15 m(t)=(Mg.P(t).V)/(R.Z.T(t)), dans laquelle Mg est la masse molaire du gaz (en kg/mol), P(t) la pression de gaz dans le réservoir (1) au temps (t) (en Pa), V le volume connu du réservoir (en m3), R la constante des gaz parfaits connue (en J. mol-'.K-1), T(t) la température mesurée (en K) et Z le facteur connu de compressibilité du gaz. 20 11.Dispositif d'estimation de la masse de gaz contenu dans un réservoir (1) de gaz sous pression comprenant un capteur (6) de pression du gaz dans le réservoir (1) agencée au niveau de l'entrée du réservoir (1), un capteur (3) de température T(t) du gaz dans le réservoir disposé au niveau de l'entrée du réservoir (1), une logique (5) électronique de stockage et de traitement de 25 données recevant les mesures des capteurs de pression (6) et de température (3), la logique (5) électronique étant configurée pour stocker ou recevoir la valeur du volume V du réservoir (1) et les termes d'une équation des gaz parfaits ou réel dudit gaz et pour calculer la masse m(t) de gaz dans le réservoir (1) à partir de cette équation et desdites valeurs mesurées de la 30 pression P(t) et de la température T(t) du gaz pendant une phase de soutirage du réservoir (1).