Brevet FR3127814A1 — publié le 20230407

Instrument (100) de mesure d’au moins un composé organique volatil dans un mélange de gaz, cet instrument comportant des entrées (24, 26, 28) d’air, de gaz H 2 ou H 2 -He, et d’un échantillon du mélange de gaz, une pompe (36), et un détecteur (34) à ionisation de flamme, ce détecteur étant relié aux entrées (24, 26) d’air et de gaz H 2 et étant configuré pour générer une flamme qui ionise un ou des composé(s) organique(s) volatil(s) contenu(s) dans ledit échantillon, et pour émettre un signal électronique (46) fonction de la quantité du ou des composés organiques volatils dans cet échantillon, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins une enceinte d’amortissement (48) qui est reliée par un rail de pression (40) au détecteur (34) et qui est configurée pour contenir un volume de gaz prédéterminé à une pression prédéterminée. Figure pour l'abrégé : Figure 8 INSTRUMENT DE MESURE EQUIPE D’UN DETECTEUR A IONISATION DE FLAMME Domaine technique de l'invention L’invention concerne un instrument de mesure équipé d’un détecteur à ionisation de flamme. Arrière-plan technique Un détecteur à ionisation de flamme, aussi appelé détecteur FID (acronyme de l’anglais Flame Ionisation Detector ) est un détecteur qui utilise une flamme d’hydrogène brûlant dans un excès d’oxygène. Cette flamme permet d’ioniser des molécules organiques présentes dans un gaz à mesurer. Ces molécules doivent être volatiles, c’est-à-dire à l’état gazeux pour être mesurées. En présence d’un champ électrique, les ions carbone générés peuvent être captés sur une électrode de collecte. Le courant électrique en résultant est très faible (de l’ordre du pA), et il est nécessaire de l’amplifier pour le mesurer. Le signal de réponse du détecteur est proportionnel à la quantité d’ions carbone générés par la flamme. Il dépend donc de la concentration en molécules organiques dans le gaz échantillon, et du débit de gaz à analyser. Le signal mesuré dépend aussi des différents débits des gaz qui alimentent le détecteur à savoir le débit d’hydrogène (H 2 ou H 2 -He) et le débit d’air. Ce type de détecteur peut par exemple être utilisé pour détecter et quantifier des hydrocarbures gazeux (méthane, propane, butane, par exemple) dans un mélange de gaz, typiquement qui s’échappent d’une cheminée d’évacuation de gaz d’une usine d’incinération. Un détecteur à ionisation de flamme est un détecteur massique, c’est-à-dire que le signal de réponse est proportionnel à la quantité de carbone organique volatil passant dans le détecteur FID par unité de temps. Cela signifie que la concentration de carbone organique volatil n’est pas le seul paramètre important, le débit de gaz échantillon l’est aussi. Parmi les molécules organiques volatiles mesurées dans les cheminées des installations industrielles telles que les incinérateurs de déchets ménagers, les hydrocarbures sont habituellement très majoritaires. Le méthane en particulier représente une large partie du carbone présent. L’usage veut donc que les composés organiques volatils (COV) soient aussi désignés comme étant des hydrocarbures totaux (HCT), et séparés en hydrocarbures non-méthaniques (HCnm) et en méthane (CH 4 ). Pour déduire une concentration à partir de la quantité de carbone mesurée dans le détecteur FID, l’idéal est de maintenir le débit d’échantillon vers le détecteur constant. Cependant, en pratique, le fait de maintenir ce débit constant est une réelle difficulté technique l’analyseur est en général équipé d’une pompe pneumatique à membrane, qui a un fonctionnement périodique et génère des variations de pression. Dans le cadre de l’analyse de COV d’un mélange de gaz d’une cheminée, ce mélange de gaz est en général à une température élevée qui est maintenue jusqu’au détecteur afin d’empêcher une condensation de la vapeur d’eau et des COV lourds, ce qui fausserait la mesure. Les technologies de pompe actuellement disponibles pour ce type d’application et qui sont à la fois bon marché et peu encombrantes sont relativement limitées et ont toutes l’inconvénient de ne pas fournir un débit constant et une pression constante en sortie. Dans la technique actuelle, des solutions sont donc utilisées pour limiter ou inhiber l’impact de cette variation de pression sur la mesure, le gaz échantillon étant prélevé par la pompe à une pression relativement faible (typiquement de 200hPa ou 200mbar relativement à la pression atmosphérique). En général, l’objectif est de relier le détecteur à la pompe par l’intermédiaire de ce que nous appellerons dans la suite un « rail de pression », qui est une conduite ou un ensemble de conduites dans laquelle la pression de l’échantillon est rendue constante. Un restricteur en sortie du rail de pression permet en général de produire un débit constant vers le détecteur à partir de cette pression constante. Le problème est donc de réguler la pression dans le rail de pression, alors que la pompe émet naturellement des pulsations du fait de son fonctionnement périodique. Une première solution pour réguler la pression dans le rail de pression consiste à utiliser un régulateur de contrepression. Ce régulateur fonctionne comme une soupape de sécurité en libérant l’excédent de pression produit par la pompe vers un évent. Le rail de pression s’étend entre la pompe et le régulateur de contrepression. Le débit au niveau de l’évent correspond globalement au débit de la pompe diminué du débit prélevé par le détecteur. La pompe fournit un débit de gaz sous forme d’impulsions et, entre deux impulsions, le régulateur de contrepression se referme et le détecteur continue a être alimenté par la pression résiduelle dans le rail de pression. Une autre solution consiste à utiliser un régulateur de pression électronique relié à une source auxiliaire d’air purifié sous pression. Le rail de pression est alimenté en air purifié ce qui permet de maintenir la pression constante dans le rail de pression même entre deux impulsions de débit de la pompe. Cependant, cette solution présente des inconvénients : (1) une consommation d’air importante, en général supérieure au double du débit échantillon, et (2) une fiabilité de fonctionnement moindre. Il devient très difficile de détecter un problème sur la pompe échantillon ou le colmatage partiel ou total du filtre échantillon car ils sont intégralement compensés par la source d’air auxiliaire. A l’extrême, l’analyseur peut finir par mesurer l’air auxiliaire à la place de l’échantillon en cas de défaillance totale de la pompe, sans que cela ne soit visible par la mesure de la pression échantillon. D’autres solutions existent encore et consistent par exemple à remplacer la source d’air purifié de la dernière solution par une pompe, et le régulateur électronique par un régulateur mécanique ou de contrepression. Les technologies actuellement disponibles pour garantir une pression constante dans le rail de pression de l’instrument de mesure ne sont donc pas satisfaisantes, du point de vue de la consommation de gaz, de la fiabilité, et également en terme de complexité et de coût de maintenance. La présente invention apporte une solution passive simple, efficace et économique au besoin précité. L’invention concerne un instrument de mesure d’au moins un composé organique volatil dans un mélange de gaz, cet instrument comportant : une entrée d’air, une entrée de gaz H 2 ou H 2 -He, une entrée d’un échantillon du mélange de gaz, une pompe, un rail de pression relié par l’intermédiaire de la pompe à l’entrée d’échantillon et configuré pour acheminer ledit échantillon, au moins un détecteur à ionisation de flamme, ce détecteur étant relié aux entrées d’air et de gaz H 2 et audit rail de pression, ce détecteur étant configuré pour générer une flamme d’ionisation du ou des composé(s) organique(s) volatil(s) (COV) contenu(s) dans ledit échantillon, et pour émettre un signal électronique proportionnel à la quantité du ou des composé(s) organique(s) volatil(s) dans cet échantillon, et une unité électronique de commande et de traitement dudit signal, caractérisé en ce qu’il comprend en outre : - au moins une enceinte d’amortissement configurée pour contenir un volume de gaz prédéterminé à une pression prédéterminée, cette enceinte étant reliée audit rail de pression et étant configurée pour amortir les variations de pression dans ledit rail. L’invention propose ainsi de remplacer le régulateur de la technique antérieure par une enceinte d’amortissement des pulsations ou variations de pression. Les régulations à base d’injection d’air comprimé existants fournissent un amortissement qu’on pourrait décrire comme « actif », du fait de la nécessité de disposer d’un régulateur annexe pour fixer la pression de cet air de complément. L’enceinte permet un amortissement « passif » ne nécessitant aucun autre équipement. De plus, cet amortissement passif est nettement moins coûteux qu’un régulateur de contrepression, lui aussi passif. Un des avantages de l’invention est lié au fait qu’il n’y a pas de maintenance particulière de l’enceinte à prévoir contrairement au régulateur de la technique antérieure. On peut économiser soit le système de régulation d’air à la pression de consigne de l’échantillon, soit le régulateur de contre-pression, simplement en ajoutant l’enceinte d’amortissement qui peut être très peu couteuse. L’instrument selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ladite enceinte est reliée au rail de pression, directement ou par l’intermédiaire d’au moins un restricteur de débit ; - ledit détecteur est relié audit rail de pression par au moins un restricteur de débit ; dans la présente demande, on entend par « restricteur de débit » ou « restricteur », un organe qui permet de limiter ou réduire le débit de gaz ; ceci peut être réalisé de plusieurs façons et la façon la plus simple revient à réduire la section de passage du gaz à travers une conduite ; un rétrécissement de la section de passage dans une conduite forme un restricteur de débit ; le raccordement de deux conduites par une conduite de plus petit diamètre interne forme également un restricteur de débit ; un restricteur est par exemple formé par un capillaire ; on peut utiliser un restricteur de débit pour s’assurer d’un débit de gaz connu à partir d’une pression connue. - ladite enceinte fait partie dudit rail de pression ; - ladite enceinte et/ou ledit rail de pression est/sont relié(s) par au moins un restricteur de débit à ladite pompe et par au moins un autre restricteur de débit à un port de mise à l’évent ; - l’instrument comprend en outre une cavité chauffée et/ou thermostatée, par exemple à une température supérieure à 150°C et de préférence supérieure ou égale à 180°C, ledit détecteur étant situé dans ladite cavité ; la température de chauffage de la cavité peut être de l’ordre de 100°C dans le cas d’une utilisation de l’instrument pour la mesure de COV dans l’air ambiant (et sera plutôt de l’ordre de 180°C voire plus pour une utilisation dans une cheminée d’évacuation) ; - ladite enceinte est située au moins en partie à l’extérieur de ladite cavité ; - l’instrument comprend en outre une entrée d’un mélange de gaz étalon en vue de l’étalonnage de l’instrument ; - ladite enceinte est configurée pour contenir un volume de gaz supérieur ou égal à 50mL, de préférence supérieur ou égal à 200mL, et plus préférentiellement supérieur ou égal à 500mL ; ce volume est de préférence adapté en fonction du débit d’échantillon qui sort de la pompe, du régime de la pompe, et du rapport d’amortissement voulu ; -- l’instrument est configuré pour prélever un débit d’échantillon dans ledit rail de pression qui représente moins de 50% du débit total parcourant ledit rail de pression, de préférence moins de 20% du débit total parcourant ledit rail de pression, plus préférentiellement moins de 10% du débit dudit rail de pression et encore plus préférentiellement moins de 5% du débit dudit rail de pression; - l’instrument comprend en outre un capteur de pression configuré pour mesurer la pression dans ladite enceinte ; - ledit détecteur est relié audit rail de pression en un point de raccordement et ladite enceinte est située en amont ou en aval de ce point de raccordement par rapport à la circulation de l’échantillon dans le rail de pression ; plus le volume de l’enceinte d’amortissement est important, et plus l’amortissement des variations de pression peut être efficace ; plus ce volume est faible, et plus la mesure par le détecteur peut être rapide. Un compromis doit donc être choisi entre un amortissement efficace (enceinte de grand volume) et un temps de réponse réduit (enceinte de petit volume) ; le fait de placer l’enceinte d’amortissement en aval du point de prélèvement permet de supprimer cette contrainte ; par ailleurs, le temps de réponse de l’appareil n’est pas affecté, et des condensations éventuelles ne perturbent pas la mesure ; - la pompe est à régime variable et est asservie par ladite unité de commande ; ceci permet de réguler avec précision la valeur moyenne de la pression dans le rail de pression ; le régime de fonctionnement de la pompe peut également être un facteur important pour améliorer l’efficacité de l’amortissement passif avec l’enceinte ; le rapport d’amortissement peut être du type : avec D le débit d’air en sortie de pompe, ω le régime de la pompe, le volume d’échantillon pulsé par la pompe à chaque tour et le volume de l’enceinte d’amortissement ; dans notre application, ce rapport est de préférence inférieur ou égal à 2%, idéalement inférieur ou égal à 1% ; -- ladite unité de commande est reliée audit capteur de pression et régule le régime de la pompe de façon à maintenir constante la pression dans ladite enceinte ; -- l’instrument comprend deux ou plus enceintes d’amortissement montées en série l’une à côté de l’autre ; -- le rail de pression comprend un restricteur à chacune de ses extrémités ; -- le rail de pression comprend une conduite principale reliée par un raccord en T à une conduite de dérivation, la conduite principale comportant une extrémité reliée à l’enceinte et la conduite de dérivation étant reliée au détecteur ; -- la conduite de dérivation est équipée d’un restricteur ; -- au moins une des extrémités de la conduite principale est équipée d’un restricteur ; -- une des extrémités de la conduite principale est reliée à un port de mise à l’évent ; -- ladite pompe est une pompe pneumatique à membrane ; -- ladite pompe à membrane est équipée d’au moins un premier clapet d’entrée de gaz, et au moins un clapet de sortie de gaz ; -- ladite pompe comprend une membrane reliée à un piston mécanique entraîné par un moteur via un excentrique. L’invention concerne encore un équipement de mesure d’au moins un composé organique volatil dans un mélange de gaz, cet équipement comportant : - un instrument tel que décrit ci-dessus, - une canne de prélèvement dudit échantillon, cette canne étant par exemple configurée pour être insérée dans une cheminée d’évacuation de gaz, et - un boîtier de chauffage monté entre la canne de prélèvement et l’entrée d’échantillon de l’instrument, et configuré pour chauffer l’échantillon à une température prédéterminée. L’invention concerne encore un procédé de mise en œuvre de l’instrument tel que décrit ci-dessus, comprenant : - une étape de démarrage de l’instrument dans laquelle l’enceinte est alimentée par la pompe avec ledit mélange de gaz, jusqu’à ce que la pression dans l’enceinte soit supérieure ou égale à une valeur prédéterminée, puis - une étape d’analyse de l’échantillon par ledit détecteur. Avantageusement, la pression est supérieure ou égale à 100mbar, de préférence supérieure ou égale à 150mbar, et plus préférentiellement supérieure ou égal à 200mbar. Les variations de pression dans ledit rail de pression ont de préférence une amplitude inférieure ou égale à 2% de la pression moyenne dans ce rail de pression, et plus préférentiellement à 1%. Avantageusement, la cavité est chauffée et/ou thermostatée jusqu’à une température prédéterminée pendant l’étape de démarrage. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue schématique en perspective d’un instrument de mesure selon l’invention équipé d’un détecteur à ionisation de flamme, la est une vue schématique d’un équipement de mesure de composé(s) organique(s) volatil(s) (COV) dans un mélange de gaz, cet équipement comportant un instrument de mesure du type de celui de la , la est une vue schématique d’un instrument de mesure selon la technique antérieure à la présente invention, la est une vue schématique d’un détecteur à ionisation de flamme FID, la est un graphe schématique montrant l’évolution du débit de gaz échantillon fournit par la pompe d’un instrument de mesure, en fonction du temps, la est un graphe similaire à celui de la et montrant l’effet d’un régulateur additionnel dans l’instrument de mesure, la est une vue très schématique d’un instrument de mesure selon un mode de réalisation de l’invention, la est une vue très schématique d’un instrument de mesure selon un autre mode de réalisation de l’invention, la est une vue très schématique d’un instrument de mesure selon un autre mode de réalisation de l’invention, la est une vue schématique en perspective de la pompe et de l’enceinte de l’instrument de mesure de la , et la est une vue schématique en coupe de la pompe et de l’enceinte de l’instrument de mesure de la , la coupe étant réalisée selon la ligne XI-XI de la . Instrument (100) de mesure d’au moins un composé organique volatil dans un mélange de gaz, cet instrument comportant : une entrée (24) d’air, une entrée (26) de gaz H 2 ou H 2 -He, une entrée (28) d’un échantillon du mélange de gaz, une pompe (36), un rail de pression (40) relié par l’intermédiaire de la pompe (36) à l’entrée (28) d’échantillon et configuré pour acheminer ledit échantillon, au moins un détecteur (34) à ionisation de flamme, ce détecteur étant relié aux entrées (24, 26) d’air et de gaz H 2 et audit rail de pression (40), ce détecteur (34) étant configuré pour générer une flamme d’ionisation du ou des composé(s) organique(s) volatil(s) contenu(s) dans ledit échantillon, et pour émettre un signal électronique (46) proportionnel à la quantité du ou des composé(s) organique(s) volatil(s) dans cet échantillon, et une unité (47) électronique de commande et de traitement dudit signal, caractérisé en ce qu’il comprend en outre : - au moins une enceinte d’amortissement (48) configurée pour contenir un volume de gaz prédéterminé à une pression prédéterminée, cette enceinte (48) étant reliée audit rail de pression (40) et étant configurée pour amortir les variations de pression dans ledit rail. Instrument (100) selon la revendication 1, dans lequel ladite enceinte (48) est reliée au rail de pression (40), directement ou par l’intermédiaire d’au moins un restricteur de débit (52). Instrument (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit détecteur (34) est relié audit rail de pression (40) par au moins un restricteur de débit (56). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite enceinte (48) fait partie dudit rail de pression (40). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite enceinte (48) et/ou ledit rail de pression est/sont relié(s) par au moins un restricteur de débit (50) à ladite pompe (36) et par au moins un autre restricteur de débit (52, 54) à un port de mise à l’évent (32). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre une cavité (41) chauffée et/ou thermostatée, par exemple à une température supérieure à 150°C et de préférence supérieure ou égale à 180°C, ledit détecteur (34) étant situé dans ladite cavité (41). Instrument (100) selon la revendication précédente, dans lequel ladite enceinte (48) est au moins en partie située à l’extérieur de ladite cavité (41). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre une entrée (30) d’un mélange de gaz étalon en vue de l’étalonnage de l’instrument. Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite enceinte (48) est configurée pour contenir un volume de gaz (Vmort) supérieur ou égal à 50mL, de préférence supérieur ou égal à 200mL, et plus préférentiellement supérieur ou égal à 500mL. Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend en outre un capteur de pression (58) configuré pour mesurer la pression dans ladite enceinte (48). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit détecteur (34) est relié audit rail de pression (40) en un point de raccordement et ladite enceinte (48) est située en amont ou en aval de ce point de raccordement par rapport à la circulation de l’échantillon dans le rail de pression (40). Instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pompe (36) est à régime variable et est asservie par ladite unité de commande (47). Equipement de mesure d’au moins un composé organique volatil dans un mélange de gaz, cet équipement comportant : - un instrument (100) selon l’une des revendications précédentes, - une canne (18) de prélèvement dudit échantillon, cette canne (18) étant par exemple configurée pour être insérée dans une cheminée (16) d’évacuation de gaz, et - un boîtier de chauffage (20) monté entre la canne de prélèvement (18) et l’entrée (28) d’échantillon de l’instrument (100), et configuré pour chauffer l’échantillon à une température prédéterminée. Procédé de mise en œuvre de l’instrument (100) selon l’une des revendications 1 à 12, comprenant : - une étape de démarrage de l’instrument (100) dans laquelle l’enceinte est alimentée par la pompe (36) avec ledit mélange de gaz, jusqu’à ce que la pression dans l’enceinte (48) soit supérieure ou égale à une valeur prédéterminée, puis - une étape d’analyse de l’échantillon par ledit détecteur (34). Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la pression est supérieure ou égale à 100mbar, de préférence supérieure ou égale à 150mbar, et plus préférentiellement supérieure ou égal à 200mbar. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel les variations de pression dans ledit rail de pression (40) ont une amplitude inférieure ou égale à 2% de la pression moyenne dans ce rail de pression, et de préférence à 1%. Procédé selon l’une des revendications 14 à 16, dans lequel, l’instrument (100) étant tel que défini à la revendication 6 ou 7, ladite cavité (48) est chauffée et/ou thermostatée jusqu’à une température prédéterminée pendant l’étape de démarrage.