Brevet FR3123444A1 — publié le 20221202

Un procédé d’analyse de la teneur d’un composant dans un mélange de gaz (5), teneur mesurée à l’aide d’un analyseur de gaz (1), se caractérisant en ce qu’une incertitude de mesure est calculée pour chaque mesure , et où selon l’invention, on propose de produire par un mélangeur (2, 6), un mélange de gaz qui donne le même signal que l’échantillon inconnu, où connaissant le signal de mesure obtenu pour l’échantillon, on procède de façon itérative pour produire un mélange de gaz qui donne le même signal, un algorithme de type simplex (3) permettant alors de générer par itération la concentration de gaz qui donne le même signal que celui de l’échantillon inconnu, et lorsque les signaux de mesure générés par l’échantillon de gaz et par la teneur générée par le mélangeur de gaz sont égales alors la concentration qu’a généré le mélangeur sert de référence pour établir la mesure de concentration de l’échantillon. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Système d'étalonnage optimisé pour analyseur de gaz La présente invention concerne le domaine de l’analyse des gaz. Lors de l’analyse d’un échantillon de gaz, se pose le problème d’effectuer un mesurage. En conformité avec l’approche préconisée par le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures à Sèvres, France), tout résultat de mesure doit être exprimé avec son incertitude de mesure. Cette incertitude de mesure provient d’un système de mesure qui est évalué à un moment donné au cours d’une expérience de mesure. L’incertitude qui résulte de cette évaluation est supérieure à l’incertitude des étalons utilisés. Par exemple, un étalon de mesure contenant du méthane dans l’azote à une fraction molaire de 100 ppm (partie par millions) ayant une incertitude relative de mesure de 1% est testé avec un analyseur qui indiquera pour cet étalon une teneur de 100 ppm mais avec une incertitude relative de 5% correspondant à l’incertitude de l’analyseur. L’analyseur indique la bonne fraction molaire mais son mesurage est associé à une incertitude 5 fois plus grande que celle de l’étalon (qui est connue par ailleurs). La norme ISO 12963 (2015) apporte une réponse à cette situation à condition d’avoir un étalon qui puisse correspondre exactement à la mesure. Dans le cas précis où l’analyste dispose d’un étalon qui correspond exactement au mesurage de son échantillon, il est alors possible d’appliquer l’incertitude de l’étalon au mesurage effectué de l’échantillon. Il en résulte un gain sur la performance analytique de l’évaluation de l’incertitude de mesure, si, comme dans la plupart des cas, l’incertitude de l’étalon est meilleure (ce que l’on doit comprendre par « plus faible ») que celle de l’analyseur. En comparant le mesurage obtenu à partir d’un gaz étalon dont la concentration des composants est connue, on peut évaluer les performances analytiques d’un analyseur. Si le résultat de mesure obtenu de l’analyseur ne correspond pas à la concentration certifiée d’un gaz étalon, l’analyseur n’est pas apte à fournir des mesures valides. Des alarmes peuvent être émises lorsque l’écart entre le mesurage et la concentration certifiée dépasse des limites inférieures ou supérieures d’acceptabilité. Des maintenances peuvent être déclenchées évitant des mesures erronées. Suivant le contexte, les conséquences peuvent être plus ou moins pénalisantes. Sur une ligne de production mettant en œuvre ces gaz, les conséquences peuvent être des produits non conformes, des pertes de production, voire des accidents suivant la dangerosité des produits. Toujours à titre d’exemple, dans le domaine de l’environnement, les instituts responsables du contrôle de la qualité de l’air par exemple, ont une obligation de résultats et doivent fournir des mesures fiables. Ainsi, dans la mesure des oxydes d’azote (NOx), des erreurs peuvent avoir des conséquences graves sur la santé publique si la concentration est sous-évaluée ou une incidence économique en restreignant indûment le trafic si la concentration est surévaluée. Dans le cas des analyses de gaz, il faut en contrepartie disposer d’une grande quantité de gaz étalon puisqu’il est nécessaire de disposer d’un étalon pour chaque mesure. Grace aux mélangeurs de gaz, on peut générer à partir d’une source de quelques bouteilles une infinité de concentrations possibles. Ces mélanges de gaz s’ils sont certifiés peuvent permettre de remplacer de multiples gaz étalons. La présente invention s’attache alors à proposer notamment une méthode de génération de mélanges de gaz destinés à servir d’étalons, mais également une méthode par laquelle on effectue le calcul d’une mesure et de son incertitude relative. L’homme de l’art qui souhaite améliorer l’incertitude de son mesurage est contraint pour chaque mesure d’échantillon de disposer d’un étalon correspondant exactement au mesurage effectué, si l’on suit la norme ISO 12963 (2015). Il va de soi que le nombre d’étalons serait infini tant les mesures sont nombreuses. La présente invention propose d’obtenir, par le biais d’un mélangeur, cette source illimitée de mélanges (pour autant qu’ils soient dans la plage de mélanges que peut réaliser le mélangeur). En obtenant par le mélangeur la même valeur de mesurage, il devient alors possible, selon la norme ISO 12963 (2015), d’appliquer l’incertitude du mélangeur lorsqu’elle est meilleure. Dans le cadre des mélanges gazeux, l’emploi de régulateurs de débits par effet thermique donne des incertitudes de mélanges très faibles de l’ordre de 0.1% alors que la plupart des mesurages sur des analyseurs par chromatographie ont une incertitude de l’ordre du 1% dans le meilleur des cas et plutôt 5% dans de nombreux cas. On comprend alors le progrès réalisé sur l’acuité des mesurages. L’échantillon de gaz est mesuré par le système de mesure, à une périodicité définie par le système de commande ou sur ordre, la mesure effectuée est générée par le mélangeur de gaz et envoyée à l’analyseur de gaz. Selon l’invention, on propose de produire par le mélangeur un mélange de gaz qui donne le même signal que l’échantillon inconnu. Connaissant le signal de mesure obtenu par l’échantillon, on procède de façon itérative pour produire le mélange de gaz qui donne le même signal. Un algorithme de type simplex permet de générer par itération la concentration de gaz qui donne le même signal que celui de l’échantillon inconnu. Lorsque les signaux de mesure générés par l’échantillon de gaz et par la teneur générée par le mélangeur de gaz sont égales alors la concentration qu’a généré le mélangeur sert de référence pour établir la mesure de concentration de l’échantillon. Si la concentration attendue pour l’échantillon diffère de la concentration générée par le mélangeur donnant le même signal de mesure que l’échantillon, alors le système de mesure a évolué. Le suivi des écarts avec des cartes de contrôle permet d’établir si les écarts sont acceptables ou non. Les cartes de contrôle sont définies comme un outil de référence de la méthode six sigma très répandue en contrôle industriel et intégrée aux systèmes qualité. Un traitement normalisé et défini des cartes de contrôle (normes : série NF ISO 7870) permet de qualifier si les écarts sont acceptables ou non. En cas de non-conformité, on peut alors générer des alarmes, ou encore des messages via le système de commande et de communication. La proposition de la présente invention est remarquable en ce que le système de calcul d’incertitude est dynamique et s’adapte à chaque mesure pour laquelle un optimum est trouvé alors qu’habituellement, l’incertitude relative est prédéterminée, à un moment donné, lors du développement de la méthode d’analyse et se trouve figée d’un étalonnage à l’autre. Si l’appareil dérive ou si le système de mesure est altéré, des mesures erronées sont enregistrées. De même, le présent système de calcul dynamique permet une évaluation de la mesure de concentration d’un composant au plus juste, par rapport à l’expérience de mesure au sens accordé par le BIPM. La annexée fournit une vue schématique partielle d’une installation convenant pour la mise en œuvre de l’invention et va permettre de mieux comprendre par ce qui suit la proposition technique de l’invention. La nomenclature de la est la suivante : 1 : le système de mesure comprenant un analyseur de gaz. 2 : un mélangeur de gaz d’un ensemble de une ou plusieurs bouteilles étalons. 3 : un système de commande, d’acquisition, de traitement et d’enregistrement de données. 4 : un système de communication, d’affichage. 5 : un échantillon de gaz entrant dans le système de mesure. 6 : les bouteilles de gaz étalons entrant dans le mélangeur de gaz. L’échantillon de gaz est évalué par le système de mesure (1), à une périodicité définie, définie par exemple par le système de commande (3), la mesure obtenue donne lieu à l’élaboration d’un mélange « équivalent » par le mélangeur de gaz (2), à partir des bouteilles étalons (6), mélange envoyé à l’analyseur de gaz du système de mesure (1). Un algorithme de type simplex, géré par le système de commande (3), permet de générer par itération la teneur la plus proche de celle correspondant au signal de mesure obtenu sur l’échantillon (5). Lorsque les signaux de mesure générés par l’échantillon de gaz et par la teneur générée par le mélangeur de gaz sont égaux alors la concentration qu’a généré le mélangeur sert de référence pour établir la mesure de concentration de l’échantillon. Si la concentration calculée au départ pour l’échantillon diffère de la concentration générée par le mélangeur donnant le même signal de mesure que l’échantillon, alors on considère que le système de mesure a évolué. On souhaite en effet générer à partir d’un mélangeur de gaz dont les sources sont des étalons un mélange qui correspondent exactement au mesurage d’un échantillon lu sur le système de mesure. Considérons l’exemple d’un mélange binaire inconnu, de méthane dans l’azote. Après analyse sur un système de mesure, l’appareil indique une concentration de 100 ppm de méthane. Selon l’invention, on génère à partir d’un mélangeur la même teneur que celle lue sur le système de mesure. La plupart du temps, on aura un écart entre la concentration lue sur le système de mesure et celle programmée sur le mélangeur. On utilise alors un algorithme comme le simplex pour parvenir à générer une concentration sur le système de mesure correspondant à celle de l’échantillon. On compare alors la concentration du mélangeur calculée avec celle affichée par le système de mesure. Le suivi des écarts avec des cartes de contrôle permet d’établir si les écarts sont acceptables ou non. On peut alors générer des alarmes, des messages via le système de commande et de communication. Les cartes de contrôle sont définies dans la série de normes ISO 7870 (parties 1,2,3,4,5,6). La norme ISO 3534 relative au vocabulaire définit les différents concepts associés. Elles correspondent à un champ de connaissance statistique connu sous le nom de maitrise statistique des procédés (ou pour les anglo-saxons : « Statistical Quality Control »). Les cartes de contrôle ont été à l’origine développées par Shewhart en 1930. Les cartes de contrôles sont précisément les suivantes: carte I (ou cartes individuelles), les cartes de Shewhart (relatives à la moyenne), les cartes de contrôle relative à la dispersion des résultats ou carte d’écarts types, les autres types de cartes sont les cartes EWMA (« Exponentially Weighted Moving Average »), les cartes CUSUM (« CUmulative SUM »), les cartes de contrôle multidimensionnelles et les cartes à double échantillonnage. La présente invention permet donc d’apporter une réponse aux problématiques techniques suivantes observées selon l’art antérieur : a) une incertitude relative de mesure surévaluée : La surévaluation de l’incertitude de mesure provient du fait que le développement de méthode s’effectue à un moment donné et prend en compte toute une série de facteurs et de grandeurs d’influence. En conséquence, l’incertitude relative calculée que ce soit par la méthode de type ‘a’ ou ‘b’ définie dans le Guide des Incertitudes de Mesures (GUM) est surévaluée par rapport à une expérience singulière de mesure. Il en est de même pour la mesure elle-même de la concentration d’un composant. Celle-ci s’effectue en général avec un modèle issu du développement de méthode qui peut s’avérer obsolète au fil du temps. b) la dérive d’un système de mesure, le biais ou tout autre type d’erreur qui peuvent survenir : les problèmes de dérive d’un système de mesure, le biais ou tout autre erreur conduisent à une évaluation erronée de la mesure de la concentration d’un composant. En effectuant, au moment de la mesure, une génération de la concentration mesurée, on identifiera immédiatement tout problème de dérive ou de biais. De ce constat, l’analyste pourra interrompre le système de mesure s’il juge que la non-conformité n’est pas acceptable du point de vue de la maitrise des procédés ou bien pourra effectuer l’évaluation correcte. La présente invention est donc remarquable en ce qu’elle propose d’intégrer différents équipements et méthodes pour proposer à l’utilisateur final une solution lui fournissant une évaluation de son incertitude de mesure et de sa mesure ainsi que des informations sur un fonctionnement conforme ou non conforme de son système de mesure, que cette non-conformité soit due à des causes endogènes (analyseur, mise en œuvre des gaz) ou exogènes (environnement, échantillonnage des gaz, etc…). Cette intégration d’équipements et de logiciels permet à l’utilisateur de disposer au niveau du système de mesure d’une manière automatisée de multiples fonctions, qui sont habituellement manuelles, indépendantes et éparses. Ces fonctions sont : l’évaluation corrigée de la mesure, le calcul d’incertitude relative optimisé, la maitrise statistique des procédés des moyens de mesure, les alarmes associées et les suggestions de maintenance corrective. Ces fonctions sont assurées habituellement par des équipes indépendantes : le laboratoire pour le développement de méthode et les contrôles périodiques, le service maintenance pour la gestion des alarmes et les interventions. La présente invention concerne alors un procédé d’analyse de la teneur d’un composant dans un mélange de gaz, teneur mesurée à l’aide d’un analyseur de gaz, se caractérisant en ce qu’une incertitude de mesure est calculée pour chaque mesure, et en ce que le procédé met en œuvre les étapes suivantes : on dispose d’un échantillon du mélange à analyser, échantillon que l’on analyse à l’aide dudit analyseur, donnant lieu à l’émission d’une mesure de ladite teneur ; on dispose d’un mélangeur de gaz, caractérisé par une incertitude sur les mélanges élaborés par ce mélangeur, et l’on procède à l’élaboration, à l’aide de ce mélangeur, d’un mélange équivalent audit mélange à analyser ; mélange élaboré comportant une teneur en ledit composant équivalente à la dite mesure, un algorithme de type simplexe permettant de générer par itération, dans le mélange élaboré par le mélangeur, la teneur en ledit composant la plus proche de celle correspondant au signal de mesure obtenu sur l’échantillon à l’aide de l’analyseur ; on procède à l’analyse, à l’aide dudit analyseur, de la teneur en ledit composant dans le mélange élaboré par le mélangeur de gaz ; lorsque les signaux de mesure générés par l’échantillon de gaz et par la teneur générée par le mélangeur de gaz sont égaux alors la concentration qu’a généré le mélangeur sert de référence pour établir la mesure de concentration de l’échantillon et l’on applique à la mesure réalisée par l’analyseur l’incertitude caractérisant le mélangeur si celle-ci est meilleure. Et l’homme du métier connait bien et comprend sans ambiguïté cette notion de « teneur en ledit composant la plus proche de celle correspondant au signal de mesure obtenu sur l’échantillon à l’aide de l’analyseur ». En effet, par « la teneur la plus proche », il faut comprendre que l'échantillon inconnu analysé va générer un signal de mesure. On va donc s'efforcer de générer un même signal en modifiant les proportions du mélange de gaz jusqu'à ce que l'on retrouve le même signal de mesure. Lorsque ce même signal de mesure est obtenu, puisqu’on connait les proportions des gaz mélangés, on est donc en mesure d'associer la concentration du composant mélangé au signal de mesure en question. En d’autres termes, le même signal de mesure a été obtenu d'une part par un échantillon inconnu et par un mélange de gaz connu. C'est ainsi que l'on peut assigner à l'échantillon de concentration inconnue, une concentration déterminée par le mélangeur. On rappellera que si dans tout ce qui précède on utilise les appellations classiques de concentration ou encore teneur, l’homme du métier préfère souvent parler plus précisément de « ‘fraction molaire » de tel ou tel composant dans un mélange, terme scientifique considéré comme plus approprié. Procédé d’analyse de la teneur d’un composant dans un mélange de gaz, teneur mesurée à l’aide d’un analyseur de gaz (1), se caractérisant en ce qu’une incertitude de mesure est calculée pour chaque mesure, et en ce que le procédé met en œuvre les étapes suivantes : on dispose d’un échantillon (5) du mélange à analyser, échantillon que l’on analyse à l’aide dudit analyseur, donnant lieu à l’émission d’une mesure de ladite teneur ; on dispose d’un mélangeur de gaz (2), caractérisé par une incertitude sur les mélanges élaborés par ce mélangeur, et l’on procède à l’élaboration, à l’aide de ce mélangeur, d’un mélange équivalent audit mélange à analyser ; mélange élaboré comportant une teneur en ledit composant équivalente à la dite mesure, un algorithme de type simplexe (3) permettant de générer par itération, dans le mélange élaboré par le mélangeur, la teneur en ledit composant la plus proche de celle correspondant au signal de mesure obtenu sur l’échantillon à l’aide de l’analyseur ; on procède à l’analyse, à l’aide dudit analyseur, de la teneur en ledit composant dans le mélange élaboré par le mélangeur de gaz ; lorsque les signaux de mesure générés par l’échantillon de gaz et par la teneur générée par le mélangeur de gaz sont égaux alors la concentration qu’a généré le mélangeur sert de référence pour établir la mesure de concentration de l’échantillon et l’on applique à la mesure réalisée par l’analyseur l’incertitude caractérisant le mélangeur si celle-ci est meilleure.