Brevet FR3092171A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Système de détection de fuite par gaz traceur et utilisation correspondante. Domaine de l'invention [0001] Le domaine de l'invention est celui de la détection de fuite de gaz traceur, e.g. du type hydrogène, hélium, dioxyde de carbone, diazote, etc. [0002] Plus précisément, l'invention concerne un système de détection de fuite par gaz traceur. [0003] L'invention a de nombreuses applications, notamment, mais non exclusivement, dans le domaine de la sécurité (e.g. pour prévenir le risque d'asphyxie, le risque toxique lié à certains gaz, le risque d'incendie ou d'explosion, etc.), dans le domaine de l'hygiène et de la santé (e.g. pour déterminer des profils d'exposition, aider à la validation de systèmes de captage ou d'assainissement d'air, etc.), etc. Art antérieur et ses inconvénients [0004] On connaît les dispositifs de test d'étanchéité et de détection de fuite par gaz traceur (e.g. du type hydrogène, hélium, dioxyde de carbone, diazote, etc.), dans lesquels l'existence d'une fuite est révélée par un appareil de détection de la présence ou du niveau de gaz traceur dans une chambre de test. [0005] Par exemple, dans un certain nombre d'applications le gaz traceur est l'hydrogène et l'appareil de détection est un capteur d'hydrogène. L'utilisation de capteurs d'hydrogène permet ainsi de détecter et/ou mesurer, la présence de ce gaz en temps réel. [0006] Ces capteurs sont bien connus mais présentent un certain nombre d'inconvénients que l'on retrouve quelle que soit la technologie de capteur considérée (e.g. du type électrochimique ou à semi-conducteur). 100071 Tout d'abord ces capteurs d'hydrogène présentent un temps de réponse (ou constante de temps ou temps de montée) relativement élevé dû, notamment, à un effet capacitif ainsi qu'à la résistance de transfert de charge de ce type de capteur. Par exemple, dans le cas des capteurs utilisant une technologie à semi-conducteur, la résistivité du matériau semi-conducteur varie suivant le déroulement de réactions d'oxydo-réduction et/ou d'adsorption à la surface du matériau. Selon un guide des capteurs de gaz de 11NRS (ED 6088 Aide-mémoire technique, février 2011), il est connu que le temps de réponse de ces appareils est très variable, de quelques dizaines de secondes à plusieurs minutes, et que la durée de vie des capteurs est de l'ordre de quelques semaines à plusieurs années en fonction du contexte d'utilisation. En comparant le temps de réponse de différents capteurs d'hydrogène (six capteurs, en l'occurrence), une grande 2 variabilité de leur temps de réponse a été observée. En effet, il a été mesuré des temps de réponse compris entre 15 et 30 secondes. [0008] Par ailleurs, un tel temps de réponse s'avère très élevé par rapport aux attentes/ contraintes des applications dans lesquelles sont mis en oeuvre ces capteurs. [0009] Ainsi, il existe un besoin pour réduire le temps dc réponse des capteurs dc gaz traceurs. [0010] 11 existe également un besoin pour qu'une telle réduction n'affecte pas sensiblement la précision de mesure des capteurs en question. Exposé de l'invention [0011] Dans un mode de réalisation, il est proposé un système de détection de fuite par gaz traceur comprenant au moins un capteur délivrant un signal, dit signal capteur, représentatif d'une concentration du gaz traceur au niveau du capteur. Un tel système de détection comprend en outre, pour au moins un capteur donné, un dispositif de correction par avance de phase correspondant délivrant un signal corrigé à partir du signal capteur délivré par le capteur donné. [0012] Ainsi, l'invention propose une solution nouvelle et inventive pour détecter les fuites de manière améliorée. En effet, dc tels capteurs (c.g. du type électrochimiques ou à semi-conducteurs) sensibles à la concentration en gaz traceur (c.g. en hydrogène, hélium, dioxyde de carbone, diazotc, etc.) présentent une résistance interne qui varie en suivant une loi logarithmique lorsque la concentration en gaz augmente. Ainsi, lors d'une fuite, le signal délivré par le capteur (c.g. une tension développée sur une résistance de charge) varie de manière exponentielle, ou du moins sensiblement exponentielle, lors dc l'arrivée du gaz traceur au niveau du capteur. Un dispositif de correction par avance de phase permettant d'améliorer le temps dc montée d'un tel signal exponentiel ou sensiblement exponentiel, le temps dc réponse du système dc détection se trouve par là-même amélioré. [0013] Selon un mode dc réalisation, le dispositif de correction comprend au moins une cellule de correction sur-amortie configurée pour approximcr une correction du type proportionnelle-dérivée. [0014] Selon un mode dc réalisation, un facteur d'amortissement dc ladite au moins une cellule de con-ection sur-amortie a une valeur comprise entre 80 et 100 pourcents d'une première valeur critique correspondant au régime critique de ladite au moins une cellule de correction sur-amortie, de préférence une valeur égale à 90 pourcents de la première valeur critique. [0015] Ainsi, le temps de réponse du système de détection se trouve être réduit au mieux par rapport à la constante de temps (ou temps de réponse ou temps de montée) du capteur. Par exemple, la valeur finale du signal délivré par le capteur est atteinte en sortie de la 3 (ou les) cellule de correction sur-amortie après un temps compris entre 0.002*r et 0.008*r, avec t la constante de temps du capteur. [0016] Selon un mode de réalisation, le facteur d'amortissement de ladite au moins une cellule de correction sur-amortie correspond au ratio entre une constante de temps associée au zéro dominant d'une fonction de transfert dc ladite au moins une cellule dc correction sur-amortie et une constante de temps du capteur. [0017] Selon un mode de réalisation, le dispositif de correction comprend au moins une cellule de correction sous-amortie configure° pour approximcr une correction du type proportionnelle-dérivée. [0018] Selon un mode de réalisation, un facteur d'amortissement de ladite au moins une cellule de correction sous-amortie a une valeur comprise entre 110 et 130 pourcents d'une deuxième valeur critique correspondant au régime critique de ladite au moins une cellule dc correction sous-amortie, dc préférence une valeur égale à 120 pourcents de la deuxième valeur critique. [0019] Ainsi, la valeur finale atteinte par le signal corrigé délivré par la (ou les) cellule sous- amortie est cohérente (i.c. est sensiblement égale), à la valeur finale du signal délivré par le capteur. Par exemple, lorsque le facteur d'amortissement de la (ou des) cellule de correction sur-amortie est choisi égal à 90 pourcents de la valeur correspondant à son régime critique, et lorsque le facteur d'amortissement de la (ou des) cellule dc correction sous-amortie est choisi égal à 120 pourcents de la valeur correspondant à son régime critique, un gain sensiblement unitaire est obtenu pour le système de détection composé des cellules sur-amortie(s) et sous-amortie(s) en question lorsque le signal corrigé est observé après un temps d'établissement de l'ordre de 0.0052. [0020] Selon un mode de réalisation, le facteur d'amortissement de ladite au moins une cellule de correction sous-amortie correspond au ratio entre une constante de temps associée au zéro dominant d'une fonction de transfert de ladite au moins une cellule de correction sous-amortie et la constante de temps du capteur. [0021] Selon un mode de réalisation, ladite au moins une cellule de correction sur-amortie délivre un premier signal corrigé à partir du signal capteur, et ladite au moins une cellule de correction sous-amortie délivre le signal corrigé à partir du premier signal corrigé. [0022] Selon un mode de réalisation, ladite au moins une cellule de correction sur-amortie et/ou ladite au moins une cellule de correction sous-amortie est implémentée sous une forme analogique active. [0023] Par exemple, les cellules sur-amortie(s) et sous-amortie(s) en question sont im- plémentées sous forme de montages à base d'amplificateurs opérationnels rebouclés. De la sorte, les problématiques d'adaptation d'impédance, ou de dispersion des composants utilisés (capacités, résistances), sont minimisées au sein du dispositif de correction par avance de phase. Ceci permet par exemple d'éviter les oscillations avant stabilisation du signal corrigé. [0024] Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé une utilisation d'un système de détection de fuite par gaz traceur selon l'un quelconque des modes de réalisation précités pour détecter une fuite par gaz traceur. Liste des figures [0025] D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture dc la description suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif, et non limitatif, en relation avec les figures, parmi lesquelles : [0026] [fig.1] représente un schéma électrique équivalent du capteur semi-conducteur de détection de gaz SB-19 dc la société FIS® ; [0027] [fig.2] représente l'évolution de la résistance interne du schéma électrique équivalent de la [Fig 1] en fonction de la concentration en gaz au niveau du capteur SB-19 ; [0028] [fig.3] représente un système de détection de fuite par gaz traceur selon un mode dc réalisation dc l'invention. [0029] Description détaillée de modes de réalisation de l'invention [0030] Sur toutes les figures du présent document, les éléments et étapes identiques sont désignés par une même référence. [0031] Lc principe général de l'invention repose sur la mise en oeuvre d'un dispositif de correction par avance de phase afin d'améliorer le temps de réponse (ou constante de temps ou temps dc montée) d'un capteur (c.g. du type électrochimique ou à semiconducteur) dc gaz traceur (e.g. du type hydrogène, hélium, dioxyde de carbone, diazote, etc.). [0032] On présente désormais en relation avec les [Fig 1] et [Fig 2] les caractéristiques du schéma électrique équivalent du capteur semi-conducteur de détection de gaz SB-19 de la société FIS®. [0033] En effet, le capteur de gaz SB-19 est un capteur semi-conducteur typique auquel peut s'appliquer l'invention. Le capteur en question est du type à dioxyde d'étain, ce qui permet une faible consommation d'énergie (120mW), le rendant ainsi particulièrement adapté à une intégration dans un système portatif de détection de gaz. [0034] Le capteur présente un boîtier métallique comprenant une paroi formée d'un double maillage en acier inoxydable et située dans le trajet du flux de gaz. Le boîtier renferme un élément de détection en forme de goutte (ou de perle) comprenant une bobine chauffante et une électrode. Le capteur SB-19 présente également un temps de réponse particulièrement long, i.e. de l'ordre de 15 à 30s. [0035] Comme le montre le schéma électrique équivalent du capteur SB-19 illustré sur la [Fig 1], ainsi que l'évolution de la résistance interne du schéma électrique en question illustrée sur la [Fig 2] en fonction de la concentration en gaz au niveau du capteur SB19, le capteur en question se comporte comme une source de tension dont la résistance interne Rs est variable en fonction de la concentration en gaz au niveau du capteur. Le capteur développe ainsi une tension V,'', variable et fonction de la concentration en gaz au niveau du capteur, aux bornes d'une résistance de charge RL. [0036] Les caractéristiques de sensibilité d'un tel capteur sont exprimées par la relation entre la résistance interne Rs et la concentration du gaz au niveau du capteur en question. [0037] Plus particulièrement, ce type de capteur est annoncé comme permettant de détecter des teneurs en hydrogène comprises entre 100ppm et 1000ppm. La résistance interne du capteur Rs diminue avec l'augmentation de la concentration de gaz en suivant une loi logarithmique comme illustré sur [Fig 2]. De la sorte, pour une résistance de charge R,, donnée, la tension développée VR, varie de manière exponentielle, ou du moins sensiblement exponentielle, lors de l'arrivée du gaz au niveau du capteur. En d'autres termes, le capteur répond comme un système linéaire du premier ordre, c.g. comme un filtre RC (pour « résistance-capacité ») monté en passe-bas et dont la capacité se chargerait à l'arrivée du gaz au contact du capteur jusqu'à atteindre une valeur représentative de la concentration en gaz au niveau du capteur. [0038] Le même type de comportement est obtenu avec différentes technologies de capteurs (e.g. du type électrochimique ou à semi-conducteur), et pour des capteurs sensibles à différents types de gaz traceurs (e.g. du type hydrogène, hélium, dioxyde de carbone, diazote, etc.). [0039] On présente désormais en relation avec la [Fig 3] un système 300 de détection de fuite par gaz traceur selon un mode de réalisation de l'invention. [0040] Le système 300 comprend un capteur 310 de gaz traceur. Dans le mode de réalisation illustré, le capteur 310 est le capteur SB-19 dont les caractéristiques ont été discutées ci-dessus en relation avec les [Fig 1] et [Fig 2]. Dans ce mode de réalisation, le gaz traceur est l'hydrogène. Dans d'autres modes de réalisation non illustrés, le gaz considéré est un autre gaz traceur quelconque (e.g. du type hélium, dioxyde de carbone, diazote, etc.), et le capteur est un capteur adapté correspondant (e.g. du type électrochimique ou à semi-conducteur). [0041] De retour à la [Fig 3], le système 300 comprend en outre un dispositif 1 de correction délivrant un signal corrigé Vs à partir du signal de mesure Ve délivré par le capteur 310. Dans le mode de réalisation considéré, le dispositif 1 de correction est dimensionné pour être du type haute impédance et les signaux en question sont représentés par des tensions aux bornes de résistances de charge. Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif 1 de correction est dimensionné pour être du type basse 6 impédance et les signaux de mesure sont du type courant traversant une résistance de charge. [0042] Dans le mode de réalisation illustré, le système de détection de fuite comprend un seul capteur. Dans d'autres modes de réalisation, le système de détection de fuite comprend plusieurs capteurs, potentiellement dédiés à la mesure de différent gaz traceurs. Dans de tels modes de réalisation, le système de détection de fuite comprend au moins un dispositif de correction délivrant un signal corrigé à partir du signal de mesure délivré par un capteur donné du système de détection dc fuite. [0043] De retour à la [Fig 3], le dispositif 1 de correction est un dispositif de correction par avance de phase. En effet, comme décrit ci-dessus en relation avec les [Fig 1] et [Fig 2], le capteur 310 développe une tension qui varie dc manière exponentielle, ou du moins sensiblement exponentielle, lors de l'arrivée du gaz à son niveau. Or, un dispositif 1 de correction par avance de phase permet, via la fonction de dérivation qu'il implémente, d'améliorer le temps de montée d'un tel signal exponentiel, ou sensiblement exponentiel. De la sorte, le temps de réponse du système 300 de détection se trouve amélioré par rapport au temps de réponse du capteur 310 seul. [0044] Le dispositif 1 de correction par avance de phase comprend une première 10 et une deuxième 20 cellules de correction de structure électronique identique, les première 10 et deuxième 20 cellules étant connectées en série. [0045] Plus particulièrement, chacune des première 10 et deuxième 20 cellules est un circuit à avance de phase, construit autour d'un amplificateur opérationnel (aussi appelé par la suite « ampli op »), avec une boucle de contre-réaction sur l'entrée inverseuse de ce dernier. [0046] La première cellule 10 comprend un ampli op 11 présentant une entrée non in- verseuse BE11, reliée à la masse M, et une entrée inverseuse BE12. L'entrée E du dispositif 1 de correction est connectée à l'entrée inverseuse BE12 de l'ampli op 11 via un bloc comprenant deux branches en parallèle : la première branche 12 comprend une résistance RI et la deuxième branche 13 comprenant une résistance RI et un condensateur C, en série. L'ampli op 11 comprend également une sortie BS1 qui est connectée d'une part à l'entrée de la deuxième cellule 20 du correcteur 1, et d'autre part à l'entrée inverseuse BEI2 de l'ampli op 11 via une boucle de contre-réaction comprenant une résistance R2 et un condensateur C2 connectés en parallèle. [0047] La deuxième cellule 20 du dispositif 1 de correction présente une structure élec- tronique analogue à celle de la première cellule 10. Plus précisément, la deuxième cellule 20 présente un ampli op 21 présentant une entrée non inverseuse BE2I, reliée à la masse M. et une entrée inverseuse BE22. La sortie BS1 de l'ampli op 11 (c'est-à-dire la sortie de la première cellule 10) est connectée à l'entrée inverseuse BE22 de l'ampli op 21 via un bloc comprenant deux branches en parallèle : une première branche 22 7 comprend une résistance R4 et une deuxième branche 23 comprend une résistance R6 et un condensateur C3 en série. [0048] L'ampli op 21 comprend également une sortie BS2 qui est connectée d'une part à l'entrée inverscuse BE22 de l'ampli op 21 via une boucle de contre-réaction comprenant une résistance R; et un condensateur C4 connectés en parallèle, et d'autre part à la sortie S du correcteur 1. [0049] A partir du schéma de la [Lig 3], la fonction de transfert du dispositif 1 de correction peut s'exprimer dans le domaine de Laplace comme : [0050] H(p) = H0(p)/11(P)-112(P) [0051] avec : [0052] Hou) R 2 X R 5 R1 x R4 le gain à fréquence nulle du dispositif 1 de correction ; [0053] (1 + R 1C ip + R3C ip) H (P) -(1+ R 2C 2p)(1 R 3C ip) la fonction de transfert comprenant les pôles et les zéros liées à la première cellule 10 ; et 100541 + R4C3p + R 6C 3p) H - (1 + R 5C4p)(1H-R6C3p) la fonction de transfert comprenant les pôles et les zéros liées à la deuxième cellule 20. [0055] De manière générale, HI p) et 1-12(, peuvent être réécrites sous la forme : [0056] 1 r 1p + T 719 H I (P) - + 3P)(1± T 2P) 100571 et : 100581 1 T 4p + sp 112(P) - T GpX1 + T 519) [0059] avec : [0060] - rl = RI.C1= R2.C1 [0061] - r2 = R3.C, [0062] - r3 = R2.Co= RI.C2 [0063] - r4 = R4.C3= 125.C3 [0064] - r5 =126.C3 [0065] - r6 = Rç.C4= R4.C4 [0066] Chacune des première 10 et deuxième 20 cellules présentent à la fois des pôles et des 8 zéros et s'apparente ainsi de manière générale à une cellule de correction du type PID (pour « Proportionnelle, intégrale et Dérivée »). Afin d'obtenir des cellules à avance de phase, une réduction des pôles est effectuée pour rendre la fonction de dérivation prédominante. [0067] Pour ce faire, il est par exemple choisi R, = R, et R, = R4. De la sorte, H0(p) = 1 [0068] De même, les pôles et zéros du dispositif 1 de correction sont configurés pour avoir : [0069] - les zéros associés aux constantes de temps R2.C2 et 123.C; qui soient dominants dans la fonction de transfert H (0) (de tels zéros correspondants à la fonction de dérivation souhaitée) ; [0070] - les pôles associés aux constantes de temps R7.C2 et 125.C4, qui soient du 2ème ordre dans la fonction de transfert H (les pôles en question correspondants à la fonction d'intégration ; [0071] - les pôles associés aux constantes de temps 123.C1 et R6.C3, qui soient du 3,rne ordre dans la fonction de transfert H ,', (les pôles en question correspondants à une fonction de stabilisation du dispositif). [0072] La réduction des pôles peut ainsi être effectuée sur les pôles auxiliaires (i.c. du ordre et du 3'rne ordre) dans la mesure où le temps de réponse envisagé pour les pôles en question est suffisamment supérieur au temps de réponse critique du dispositif 1 de correction (i.c. au temps de réponse défini comme le temps de réponse minimum fournissant unc surtension du signal Vs en sortie du dispositif 1 de correction). [0073] Par exemple, en choisissant r2 = r3 et r5 = r6, on obtient : [0074] 1 p + T. 2p Hl(P)(1 + r 2p)2 [0075] et : [0076] r + sp 112(') (1 + sp )2 100771 En configurant la première cellule 10 de sorte que r2