FR3114152A1 - Dispositif et procédé de détection d’hydrogène - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de détection (1) d’hydrogène comprenant au moins un émetteur d’ultrasons (10), au moins un récepteur à ultrasons (20), définissant ensemble un espace de mesure (40), et une unité de traitement (30) apte à déterminer, à partir d’un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons (20) une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure (40). L’émetteur d’ultrasons (10) est configuré pour émettre des ondes ultrasonores (45) à une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, et l’unité de traitement (30) est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons (10), ladite valeur d’atténuation étant déterminée à partir d’une valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore (45) reçue. Figure pour l’abrégé : figure 1
Description
L’invention concerne le domaine détection d’hydrogène dans un milieu gazeux, tel que l’atmosphère d’un espace confiné d’un lieu de stockage de produits chimiques et/ou radioactifs ou un réservoir à combustibles.
L’invention a ainsi plus particulièrement pour objet un dispositif de détection d’hydrogène et un procédé de détection d’hydrogène.
État de l’art antérieur
Comme l’ont démontré les inventeurs dans leurs travaux présentés par L. Iglesiaset. aldans le cadre de la conférence« 16 th International Workshop on Nanomechanical Sensors»qui a eu lieu entre le 19 et le 21 juin 2019 à Lausanne en Suisse, il est possible d’utiliser les ultrasons pour surveiller la composition d’un milieu gazeux. En effet, la composition du milieu gazeux influençant directement la vitesse de propagation des ondes ultrasonores de ce dernier, il est possible d’obtenir une information sur la composition du milieu gazeux à partir de mesures de temps de vol des ondes ultrasonores.
Ainsi, les inventeurs ont pu démontrer qu’avec de telles mesures de temps de vol, il est possible, lorsque le milieu gazeux présente une composition binaire dont les composants sont connus, de déterminer la proportion respective des composants du milieu gazeux. Il serait donc envisageable, pour une composition relativement simple d’un milieu gazeux à surveiller, d’utiliser de telles mesures pour détecter la présence d’hydrogène.
Néanmoins, dans le cadre de la surveillance d’un milieu gazeux, telle que l’atmosphère d’un espace confiné d’un lieu de stockage de produits chimiques et/ou radioactifs ou un réservoir à combustibles, la composition gazeuse peut être relativement complexe et peut varier dans le temps. De ce fait, l’utilisation des ultrasons telle que l’ont proposée les inventeurs dans leurs travaux présentés à Lausanne en 2019 ne semble pas adaptée en raison de cette complexité.
Ainsi, il n’existe pas à l’heure actuelle de dispositif de détection d’hydrogène basé sur les ultrasons qui soit adapté pour la surveillance de milieu gazeux présentant une composition relativement complexe.
L’invention vise à remédier à cet inconvénient et a ainsi pour but de fournir un dispositif de détection d’hydrogène qui autorise la détection d’hydrogène dans un milieu gazeux présentant une composition relativement complexe.
L’invention concerne à cet effet un dispositif de détection d’hydrogène comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons apte à émettre des ondes ultrasonores,
- au moins un récepteur à ultrasons apte à mesurer une valeur caractéristique d’une onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur étant agencés de manière à définir un espace de mesure entre eux et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement apte à déterminer, à partir d’au moins une valeur caractéristique mesurée par le récepteur à ultrasons lors de la réception d’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure.
- au moins un émetteur d’ultrasons apte à émettre des ondes ultrasonores,
- au moins un récepteur à ultrasons apte à mesurer une valeur caractéristique d’une onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur étant agencés de manière à définir un espace de mesure entre eux et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement apte à déterminer, à partir d’au moins une valeur caractéristique mesurée par le récepteur à ultrasons lors de la réception d’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure.
L’émetteur d’ultrasons est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz,
l’unité de traitement étant configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, ladite valeur d’atténuation étant déterminée à partir de la valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue.
Les inventeurs ont découvert qu’avec une fréquence des ondes ultrasonores supérieure ou égale à 2 MHz, la valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore varie majoritairement avec le taux d’hydrogène dans l’espace de mesure. De ce fait, un dispositif de détection d’hydrogène va permettre d’obtenir une détection efficace de l’hydrogène, ceci avec une influence réduite du taux des autres gaz pouvant se trouver dans l’espace de mesure. Le dispositif selon l’invention est donc parfaitement fonctionnel, même dans le cadre de la détection d’hydrogène dans des milieux gazeux présentant une composition relativement complexe.
On notera que pour fournir une telle détection, un simple placement du dispositif de détection dans le milieu gazeux avec l’espace de mesure en communication fluidique avec le milieu gazeux permet une surveillance dudit milieu gazeux.
La valeur d’atténuation peut être déterminée à partir d’un rapport entre une valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue et une valeur caractéristique d’amplitude d’au moins une onde ultrasonore préalablement déterminée en absence d’hydrogène dans l’espace de mesure.
En utilisant un tel rapport de valeur caractéristique, il est possible de s’affranchir des caractéristiques des éléments du détecteur, un tel rapport dépendant uniquement des caractéristiques du milieu gazeux et du dimensionnement de l’espace de mesure.
La valeur caractéristique de présence d’hydrogène peut être une valeur estimée de la quantité d’hydrogène présente dans l’espace de mesure.
De cette manière, il est possible d’identifier précisément les risques liés à une telle présence d’hydrogène.
L’émetteur d’ultrasons peut être configuré pour émettre des ondes ultrasonores à au moins une première fréquence et une deuxième fréquence dont au moins l’une de la première et la deuxième fréquence est supérieure ou égale à 2 MHz,
l’unité de traitement étant préférentiellement configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base de valeurs d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence.
l’unité de traitement étant préférentiellement configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base de valeurs d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence.
De cette manière il est possible d’obtenir une valeur caractéristique de présence d’hydrogène plus précise.
L’unité de traitement peut être apte à fournir une valeur caractéristique de la présence d’au moins un autre gaz que l’hydrogène, l’au moins un autre gaz étant préférentiellement sélectionné parmi le dioxyde de carbone et le méthane.
De cette manière, il est possible d’identifier les risques liés à tout type de contamination gazeuse du milieu gazeux.
L’unité de traitement peut en outre être configurée pour identifier la nature de l’éventuel gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz à partir des valeurs d’atténuation déterminées, l’unité de traitement étant en outre configurée pour déterminer la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz après identification de l’éventuel gaz contaminant à partir d’au moins une valeur d’atténuation déterminée parmi les valeurs d’atténuation déterminées pour la première et la deuxième fréquence.
Avec une telle identification, il est possible de fournir un dispositif de détection particulièrement versatile, puisqu’il est possible d’identifier une contamination pour un gaz contaminant et de connaitre la nature dudit gaz contaminant.
L’unité de traitement peut être configurée pour déterminer au moins deux paramètres d’atténuation dont :
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence,
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence,
la nature de l’éventuel gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz étant identifiée à partir desdits paramètres d’atténuation.
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence,
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence,
la nature de l’éventuel gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz étant identifiée à partir desdits paramètres d’atténuation.
De cette manière, la nature du gaz contaminant peut être identifiée avec des paramètres simples.
La valeur d'atténuation peut être une valeur d'atténuation normalisée en fréquence.
Lors de la détermination de la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz après identification de l’éventuel gaz contaminant, la valeur d’atténuation déterminée utilisée peut être choisie par l’unité de traitement parmi celles déterminées pour la première et la deuxième fréquence en fonction de la nature de l’éventuel gaz contaminant identifié.
De cette manière, il est possible d’identifier la valeur caractéristique de présence dudit gaz contaminant avec précision quelle que soit la nature de ce dernier.
Au moins l’un de l’émetteur d’ultrasons et du récepteur à ultrasons peut comprendre au moins un transducteur capacitif micro-usiné (cMUT).
De tels transducteurs capacitifs micro-usinés sont particulièrement avantageux dans le cadre de l’invention, notamment lorsqu’ils sont conforme à l’enseignement du document FR 2962926, puisqu’ils donnent accès à une grande plage de fréquence de fonctionnement, aussi bien pour l’émission que la réception des ondes ultrasonores ceci avec une intégration particulièrement optimisée. Ainsi, l’industrialisation d’un dispositif selon l’invention est rendue particulièrement aisée.
L’invention concerne en outre un procédé de détection d’hydrogène à partir d’un dispositif de détection d’hydrogène, le dispositif de détection d’hydrogène comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons apte à émettre des ondes ultrasonores,
- au moins un récepteur à ultrasons apte à fournir au moins un signal caractéristique d’une onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons étant agencés de manière à définir un espace de mesure et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement apte à déterminer, à partir de l’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons lors d’une émission d’ultrasons par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure,
le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission d’au moins une onde ultrasonore par l’émetteur d’ultrasons, l’onde ultrasonore présentant une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz, avec une amplitude donnée,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons lors de la réception de l’au moins une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, d’au moins un signal caractéristique de l’au moins une onde ultrasonore,
- détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène par l’unité de traitement sur la base de la caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue.
- au moins un émetteur d’ultrasons apte à émettre des ondes ultrasonores,
- au moins un récepteur à ultrasons apte à fournir au moins un signal caractéristique d’une onde ultrasonore, l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons étant agencés de manière à définir un espace de mesure et à ce qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure,
- une unité de traitement apte à déterminer, à partir de l’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons lors d’une émission d’ultrasons par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure,
le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission d’au moins une onde ultrasonore par l’émetteur d’ultrasons, l’onde ultrasonore présentant une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz, avec une amplitude donnée,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons lors de la réception de l’au moins une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, d’au moins un signal caractéristique de l’au moins une onde ultrasonore,
- détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène par l’unité de traitement sur la base de la caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue.
Un tel procédé pouvant être mis en œuvre par un dispositif selon l’invention, il bénéficie des mêmes avantages.
Il peut en outre être prévu les étapes suivantes :
- émission d’au moins une autre onde ultrasonore par l’émetteur d’ultrasons, l’autre onde ultrasonore présentant une deuxième fréquence,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons lors de la réception de l’autre onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, d’au moins un signal caractéristique de l’autre onde ultrasonore,
dans lequel lors de l’étape de détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène, l’unité de traitement est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence.
- émission d’au moins une autre onde ultrasonore par l’émetteur d’ultrasons, l’autre onde ultrasonore présentant une deuxième fréquence,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons lors de la réception de l’autre onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, d’au moins un signal caractéristique de l’autre onde ultrasonore,
dans lequel lors de l’étape de détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène, l’unité de traitement est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence.
Lors de l’étape de détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène par l’unité de traitement, il peut en outre être déterminé une valeur caractéristique de la présence d’un autre gaz que l’hydrogène.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d’une figure à l’autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
La figure 1 illustre un dispositif de détection d’hydrogène 1 selon l’invention, un tel dispositif de détection d’hydrogène 1 étant adapté pour fournir une détection d’hydrogène basée sur une mesure d’atténuation d’ondes ultrasonores 45 lors de leur passage dans un espace à surveiller 40.
Le dispositif de détection d’
hydrogène selon l’invention
Un tel dispositif de détection d’hydrogène 1 comprend :
- au moins un émetteur d’ultrasons 10 apte à émettre des ondes ultrasonores 45,
- au moins un récepteur à ultrasons 20 apte à fournir un signal caractéristique d’une onde ultrasonore 45, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 étant agencés de manière à définir l’espace à surveiller 40 et à ce qu’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons 10 soit reçue par le récepteur à ultrasons 20 après être passée par l’espace de mesure 40,
- une unité de traitement 30 apte à déterminer, à partir d’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons 20 lors de la réception d’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure 40.
- au moins un émetteur d’ultrasons 10 apte à émettre des ondes ultrasonores 45,
- au moins un récepteur à ultrasons 20 apte à fournir un signal caractéristique d’une onde ultrasonore 45, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 étant agencés de manière à définir l’espace à surveiller 40 et à ce qu’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons 10 soit reçue par le récepteur à ultrasons 20 après être passée par l’espace de mesure 40,
- une unité de traitement 30 apte à déterminer, à partir d’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons 20 lors de la réception d’une onde ultrasonore 45 émise par l’émetteur d’ultrasons, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure 40.
Lors de la mise en place du dispositif de détection 1 dans le cadre d’une surveillance d’un milieu gazeux, la détection d’hydrogène dans le milieu gazeux peut être réalisée en plaçant le dispositif de détection 1 avec son espace de mesure 40 en communication fluidique avec le milieu gazeux. De cette manière, l’espace de mesure 40 et le milieu gazeux sont à même de partager la même atmosphère avec une composition gazeuse identique.
Plus précisément et comme illustré sur la figure 1, l’émetteur d’ultrasons 10 selon ce premier mode de réalisation, comprend :
- une pluralité de premiers transducteurs à ultrasons 11 aptes à émettre des ultrasons,
- un premier support 12 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 11 et,
- une première unité d’amplification 15 configurée pour générer, à partir d’un signal de commande de l’unité de traitement 30, une tension d’alimentation de la pluralité de transducteurs à ultrasons 11.
- une pluralité de premiers transducteurs à ultrasons 11 aptes à émettre des ultrasons,
- un premier support 12 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 11 et,
- une première unité d’amplification 15 configurée pour générer, à partir d’un signal de commande de l’unité de traitement 30, une tension d’alimentation de la pluralité de transducteurs à ultrasons 11.
Selon une possibilité avantageuse de l’invention, les premiers transducteurs à ultrasons 11 sont des transducteurs cMUT, pour transducteurs capacitifs micro-usinés, tels que décrits dans le document FR 2962926. Conformément à l’enseignement de ce document, les premiers transducteurs cMUT selon ce mode de réalisation de l’invention, comprennent chacun une membrane et présentent une fréquence de résonnance de cette membrane. La fréquence de résonnance de la membrane est choisie comme étant supérieure à la fréquence des ondes ultrasonores à générer. Cette fréquence de résonnance peut ainsi être 125% à 200% de la fréquence maximale des ondes ultrasonores à générer.
Ainsi, par exemple, pour une fréquence maximale des ondes ultrasonores à générer égale à 3 MHz, les transducteurs à ultrasons selon ce premier mode de réalisation peuvent présenter une fréquence de résonnance qui est comprise entre 3,75 MHz et 6 MHz.
Conformément à l’invention, l’émetteur d’ultrasons 10 est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz, avec une amplitude donnée A0.
De tels premiers transducteurs à ultrasons 11 sont particulièrement avantageux dans le présent mode de réalisation puisqu’ils autorisent la génération d’ondes ultrasonores sur une plage de fréquences relativement importante.
Bien entendu, une telle configuration n’est fournie qu’à titre d’exemple et d’autres types de transducteurs à ultrasons peuvent être utilisés sans que l’on sorte du cadre de l’invention. On notera en particulier que selon la possibilité de l’invention dans laquelle l’émetteur d’ultrasons 10 est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à au moins une première fréquence et une deuxième fréquence, qu’il est envisageable en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, que l’émetteur d’ultrasons 10 comprenne au moins deux types de transducteurs à ultrasons, un premier type adapté à la première fréquence et un deuxième type adapté à la deuxième fréquence.
Les premiers transducteurs à ultrasons 11 sont agencés sur le premier support 12 de manière à définir une première paroi de l’espace à surveiller 40.
Comme montré sur la figure 1, le récepteur à ultrasons 20 comprend :
- une pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 aptes à recevoir des ondes ultrasonores et à générer à partir desdites ondes ultrasonores, un signal de mesure correspondant aux ondes ultrasonores reçues ,
- un deuxième support 22 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 21 et,
- une alimentation continue 23, apte à alimenter par une tension continue les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- une deuxième unité d’amplification 25 configurée pour amplifier le signal de mesure fourni par la pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21.
- une pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 aptes à recevoir des ondes ultrasonores et à générer à partir desdites ondes ultrasonores, un signal de mesure correspondant aux ondes ultrasonores reçues ,
- un deuxième support 22 sur lequel est agencée la pluralité de transducteurs à ultrasons 21 et,
- une alimentation continue 23, apte à alimenter par une tension continue les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- une deuxième unité d’amplification 25 configurée pour amplifier le signal de mesure fourni par la pluralité de deuxièmes transducteurs à ultrasons 21.
Selon une possibilité de l’invention, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 peuvent être d’un type identique aux premiers transducteurs à ultrasons 11. Ainsi, dans le présent mode de réalisation, et comme le montre la figure 1, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 11 sont des cMUT, pour transducteurs capacitifs micro-usinés, conformes à l’enseignement du document FR 2962926.
Bien entendu, en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 peuvent être d’un autre type. D’une même façon, selon la possibilité de l’invention dans laquelle l’émetteur d’ultrasons 10 est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à au moins une première fréquence et une deuxième fréquence, qu’il est envisageable en variante et sans que l’on sorte du cadre de l’invention, que le récepteur à ultrasons 20 comprenne au moins deux types de transducteurs à ultrasons 21, un premier type adapté à la première fréquence et un deuxième type adapté à la deuxième fréquence.
Les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 sont agencés sur le deuxième support 22 en face des premiers transducteurs à ultrasons 11 de manière à ce que le deuxième support 22 définisse une deuxième paroi de l’espace à surveiller 40. Ainsi le premier et le deuxième support 12, 22 définissent ensemble, par l’espace qu’ils délimitent entre eux, l’espace à surveiller 40.
Bien entendu, un tel agencement de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 n’est fourni qu’à titre d’exemple et est nullement limitatif. D’autres agencements sont parfaitement envisageables tant que l’émetteur d’ultrasons et le récepteur à ultrasons 20 sont agencés pour définir l’espace de mesure 40 et tant qu’une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons soit reçue par le récepteur à ultrasons après être passée par l’espace de mesure 40.
Les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 sont alimentés en tension par l’alimentation continue 23 et le signal de mesure généré par les deuxièmes transducteurs lors de la réception d’une onde ultrasonore est amplifié par la deuxième unité d’amplification 25. Ce signal de mesure ainsi amplifié forme un signal caractéristique de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur à ultrasons 10.
Le signal de mesure est fourni par le deuxième amplificateur 25 à l’unité de traitement 30.
L’unité de traitement 30 est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons, ladite valeur d’atténuation étant déterminée à partir d’une valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue.
Principe de mesure mis en œuvre dans le cadre de l’invention
La figure 1 illustre le principe d’une telle détermination. L’unité de traitement 30 fournissant le signal de commande à la première unité d’amplification 15 qui alimente à son tour les premiers transducteurs à ultrasons 11, une onde ultrasonore 45 qui émise présentera une amplitude A0répondant à l’équation suivante :
Avec S l’amplitude du signal de commande, HAmp 1la fonction de transfert de la première unité d’amplification 15, HEmetla fonction de transfert des premiers transducteurs à ultrasons 11.
L’onde ultrasonore 45 lors de son transit dans l’espace de mesure 40 va présenter une atténuation HGazdirectement proportionnelle à la distance d parcourue et dépendant de la composition du gaz se trouvant dans l’espace de mesure 40. Une telle atténuation HGazpeut se calculer avec l’équation suivante :
Avec αGazun coefficient d’atténuation du gaz correspondant à la composition du gaz se trouvant dans l’espace de mesure 40 et A l’amplitude de l’onde ultrasonore reçue par les deuxièmes transducteurs à ultrasons 21.
Ainsi, l’amplitude A de l’onde ultrasonore reçue par les deuxièmes transducteurs à ultrasons sera donc égale à :
Concernant le détecteur, le signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons à l’unité de traitement sera dépendant à la fois de la fonction de transfert Hréceptdes deuxièmes transducteurs à ultrasons 21 et de la fonction de transfert HAmp2de la deuxième unité d’amplification. Le signal caractéristique SC aractrépond donc à l’équation suivante :
Autrement dit, à partir du signal caractéristique SC aractet d’un signal de commande S donné, et en connaissant l’ensemble des fonctions de transfert de chacun des éléments 11, 15, 21, 25 du dispositif de détection 1, il est possible de déterminer l’atténuation HGaz= de l’onde ultrasonore 45 lors de son transit dans l’espace de mesure 40.
Néanmoins, selon une possibilité de l’invention, afin de se prémunir de la nécessité de caractériser la fonction de transfert de chacun des éléments 11, 15, 21, 25 du dispositif de détection 1, il est envisageable d’utiliser une mesure de référence , SRefpréalable avec un gaz de référence, tel qu’un gaz ne comportant pas d’hydrogène. Selon cette possibilité la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaz= αGaz– αRef entre le gaz et le gaz de référence peut être obtenue avec la formule suivante :
SRefétant le signal caractéristique récupéré par l’unité de traitement 30 lors de la mesure de référence préalable, et est la mesure de référence.
Ainsi, avec un tel dispositif de détection 1 et par l’utilisation d’une mesure de référence préalable, il est aisé de déterminer une variation du coefficient d’atténuation ΔαGaz = αGaz– αRefen tant que valeur d’atténuation.
A partir de ce principe et dans le cadre de l’invention, les inventeurs ont démontré que pour les fréquences d’ultrasons supérieures ou égales à 2 MHz, voire supérieures ou égales à 2,5 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazest principalement reliée à la concentration en hydrogène. Pour obtenir un tel résultat, comme illustré sur la figure 2, les inventeurs ont étudié la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazpour différents gaz susceptibles de contaminer l’espace de mesure en fonction de de la fréquence de l’onde ultrasonore 45.
Pour cette démonstration, les inventeurs ont utilisé la configuration suivante :
- un analyseur de réseau AGILENT™ E5061B en tant que premier amplificateur 15 pour générer une excitation électrique de 800 mV crête-à-crête qui est amplifiée avec un gain de 100 pour atteindre 80 V crête-à-crête et à laquelle est ajoutée une composante continue de 40 V,
- une alimentation continue 23 configurée pour appliquer une tension continue de 70 V aux deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- un deuxième amplificateur 25 fourni par un amplificateur de charge COOKNELL™, l’analyseur de réseau permettant de mesurer le signal caractéristique fourni par le deuxième amplificateur 25.
- un analyseur de réseau AGILENT™ E5061B en tant que premier amplificateur 15 pour générer une excitation électrique de 800 mV crête-à-crête qui est amplifiée avec un gain de 100 pour atteindre 80 V crête-à-crête et à laquelle est ajoutée une composante continue de 40 V,
- une alimentation continue 23 configurée pour appliquer une tension continue de 70 V aux deuxièmes transducteurs à ultrasons 21,
- un deuxième amplificateur 25 fourni par un amplificateur de charge COOKNELL™, l’analyseur de réseau permettant de mesurer le signal caractéristique fourni par le deuxième amplificateur 25.
Dans ce démonstrateur utilisé par les inventeurs pour illustrer le principe de l’invention, l’analyseur de réseau AGILENT™ E5061B fournit une partie des fonctions de l’unité de traitement 30.
Ainsi, la figure 2 montre l’évolution de la variation ΔαGazpour un gaz d’azote dans lequel a été respectivement introduit 1% d’hydrogène (courbe 101), 1% de dioxyde de carbone (courbe 102) et 1% de méthane (courbe 103) et, la mesure de référence ayant été réalisée pour un gaz d’azote non contaminé, c’est-à-dire de l’azote sensiblement pur. Pour une onde ultrasonore de 2 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazest de l’ordre de 7 m-1pour l’hydrogène, 101, alors qu’elle est inférieure, en valeur absolue, à 3 m-1pour le dioxyde de carbone, 102, et le méthane, 103. Pour une onde ultrasonore de 2,5 MHz, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazest de l’ordre de 10 m-1 pour l’hydrogène, 101, alors que cette même variation reste inférieure à 3 m-1, en valeur absolue, pour le dioxyde de carbone, 102, et le méthane, 103. On peut voir sur la figure 2 que cette sélectivité à l’hydrogène augmente avec la fréquence, notamment pour les fréquences supérieures à 3 MHz, ou encore à 3,5 MHz, voire à 4 MHz.
Il est à noter que, sauf précision contraire, l’ensemble des valeurs de proportion en gaz fourni ci-dessus et dans le reste de ce document sont des proportions molaires, une telle proportion molaire en gaz correspondant directement à la même valeur de proportion volumique.
Ainsi, toute variation de coefficient d’atténuation ΔαGazobtenue pour une fréquence d’onde ultrasonore supérieure ou égale à 2 MHz peut donc être attribuée à la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure 40, puisqu’il faudrait une quantité significative d’un autre gaz (par exemple plus du double pour le dioxyde de carbone et une fréquence de 2 MHz, et du triple pour le dioxyde de carbone et une fréquence de 2,5 MHz) pour obtenir une variation réellement significative de cette même variation du coefficient d’atténuation ΔαGaz.
Lors de cette même étude, à l’origine de l’invention, les inventeurs ont également démontré que, comme cela est illustré sur la figure 3, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazévolue linéairement avec la présence de l’hydrogène ceci quelle que soit la fréquence de l’onde ultrasonore. Pour ce faire, les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% d’hydrogène, 3% d’hydrogène, 2% d’hydrogène, 1% d’hydrogène, et une nouvelle fois 4%, ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 111), 3,6 MHz (courbe 112) et 4,1 MHz (courbe 113) tout au long de ces introductions d’hydrogène.
On peut ainsi voir que la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazévolue linéairement avec la quantité d’hydrogène introduite ceci quelle que soit la fréquence d’onde ultrasonore retenue. En effet, à partir de ces mesures, les inventeurs ont mesuré une sensibilité de 0,062 cm-1.%-1à 2 MHz, une sensibilité de 0,175 cm-1.%-1à 3,6 MHz et une sensibilité de 0,211 cm-1.%-1 à 4,1 MHz.
De plus, comme cela est montré sur les figures 4 et 5, les inventeurs ont également découvert que si la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazchange de manière prépondérante avec la proportion d’hydrogène dans l’espace de mesure 40 pour les fréquences d’ondes ultrasonores supérieures à 2 MHz, l’évolution de la variation de ce coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore est caractéristique du gaz contaminant ajouté dans l’espace de mesure 40.
On peut ainsi voir cela sur la figure 4 qui montre le résultat de mesures lors desquelles les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% de dioxyde de carbone, 3% de dioxyde de carbone, 2% de dioxyde de carbone, 1% de dioxyde de carbone, et une nouvelle fois 4% de dioxyde de carbone ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 121), 3,6 MHz (courbe 122) et 4,1 MHz (courbe 123) tout au long de ces introductions de dioxyde de carbone.
Pour le dioxyde de carbone, les inventeurs ont ainsi identifié que la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazévolue linéairement avec la quantité de dioxyde de carbone se trouvant dans l’espace de mesure 40, ceci avec un coefficient directeur positif, et que, comme pour l’hydrogène, cette même variation du coefficient d’atténuation ΔαGazaugmente, lorsque la fréquence de l’onde ultrasonore 45 augmente.
Concernant le méthane, comme cela est montré sur la figure 5 qui illustre le résultat de mesures lors desquelles les inventeurs ont introduit dans une atmosphère constituée d’azote tour à tour 4% de méthane, 3% de méthane, 2% de méthane, 1% de méthane, et une nouvelle fois 4% de méthane ceci sur une plage de temps donnée, l’atmosphère azotée de l’espace de mesure 40 étant rétablie entre deux introductions. Lors de ces introductions, l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGaza encore une fois été déterminée pour trois fréquences d’ondes ultrasonores, 2 MHz (courbe 131), 3,6 MHz (courbe 132) et 4,1 MHz (courbe 133) tout au long de ces introductions de méthane.
Pour le méthane, la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazvarie également linéairement avec la quantité de méthane, le coefficient directeur étant négatif contrairement à l’hydrogène et au dioxyde de carbone (l’atténuation diminue lorsque l’on introduit plus de méthane), et que cette même variation du coefficient d’atténuation ΔαGaz augmente, en valeur absolue, lorsque la fréquence de l’onde ultrasonore 45 augmente.
Le résultat de l’ensemble de ces mesures est résumé dans le tableau suivant qui présente la sensibilité de la variation du coefficient d’atténuation vis-à-vis de la proportion d’hydrogène, de dioxyde de carbone et de méthane, ceci pour les trois fréquences d’ondes ultrasonores étudiées et de la sélectivité de l’hydrogène vis-à-vis du dioxyde de carbone et du méthane
| H2 en cm-1.%-1 |
CO2 en cm-1.%-1 |
CH4 en cm-1.%-1 |
Sélectivité H2 vis à vis CO2/CH4 |
|
| F1=2 MHz | 0,062 | 0,0195 | -0,0073 | 3,2/-8,5 |
| F2=3,6MHz | 0,175 | 0,024 | -0,015 | 7,3/-11,7 |
| F3=4,1 MHz | 0,211 | 0,0335 | -0,0195 | 6,3/-10,8 |
A partir de ce principe, l’unité de traitement 30 est donc apte à déterminer, à partir du signal caractéristique SC aract, une valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore, telle que par exemple la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazou la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazmultiplié par d, et pour déterminer à partir de ladite valeur d’atténuation une valeur caractéristique de présence d’hydrogène. Cette valeur caractéristique de présence d’hydrogène peut être un état de présence de d’hydrogène ou une quantité d’hydrogène estimée présente dans l’espace de mesure.
Dans le cas où la valeur caractéristique de présence d’hydrogène est un état de présence, cet état de présence peut être une variable booléenne présentant un état faux, en l’absence d’hydrogène, et qui passe à l’état vrai lorsque la valeur d’atténuation dépasse une valeur seuil correspondant à une quantité d’intérêt d’hydrogène présente dans l’espace de mesure 40. Une telle quantité d’intérêt d’hydrogène peut être par exemple une quantité considérée comme préoccupante, par exemple 1% d’hydrogène, et caractéristique d’une contamination significative de l’espace de mesure 40 et donc du milieu gazeux, ou encore une quantité d’hydrogène considéré à risque à partir duquel un risque d’explosion n’est pas à exclure, telle que par exemple 4% d’hydrogène. En variante, la valeur caractéristique peut être une variable d’état à plusieurs états correspondant à plusieurs seuils de présence d’hydrogène, tels que par exemple un premier seuil de suspicion de contamination, par exemple 1% d’hydrogène, un deuxième seuil de contamination confirmé, par exemple 2% d’hydrogène, et un troisième seuil d’alerte lors duquel, par exemple, une alarme, par exemple sonore et/ou lumineuse, est déclenchée, ce troisième seuil pouvant être par exemple de 4%.
Bien entendu, il est également envisageable, dans le cadre de l’invention, que l’unité de traitement 30 soit apte de déterminer plusieurs valeurs caractéristiques comprenant une valeur d’état, telle qu’explicitée dans le paragraphe précédent, et une quantité d’hydrogène estimée.
Variante
de l’invention dans le cadre d’une contamination
binaire
Il est à noter que selon une variante de l’invention, dans le cas où l’espace de mesure 40 est susceptible d’être contaminé par deux gaz contaminants (composition binaire) dont l’un est l’hydrogène, il est envisageable d’utiliser la possibilité de l’invention pour déterminer la contamination respectivement de l’espace de mesure 40 par ces deux gaz contaminants, dont un est l’hydrogène.
Selon cette variante, l’émetteur d’ultrasons 10 est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à au moins une première fréquence et une deuxième fréquence avec la première fréquence qui est supérieure ou égale à 2 MHz et la deuxième fréquence qui est préférentiellement inférieure à 2 MHz.
Selon le principe déjà explicité, l’unité de traitement 30 est configurée pour déterminer, sur la base de la valeur d’atténuation déterminée pour l’onde ultrasonore à la première fréquence, une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure 40. En effet, l’influence de la contamination à l’hydrogène étant prépondérante pour les fréquences supérieures d’onde ultrasonore à 2 MHz, l’éventuelle présence de l’autre gaz n’a pas à être prise en compte.
La valeur caractéristique de la présence d’hydrogène étant déterminée, l’unité de traitement 30 peut être configurée pour déterminer, sur la base de la valeur d’atténuation déterminée pour l’onde ultrasonore à la deuxième fréquence et en corrigeant l’influence de l’hydrogène à partir de la valeur caractéristique de la présence d’hydrogène, une valeur caractéristique de la présence de l’autre gaz.
On notera que cet autre gaz, selon une application préférée de l’invention, peut être choisi parmi le dioxyde de carbone et le méthane. Les valeurs fournies dans le tableau 1 pouvant être notamment utilisées pour corriger l’influence de l’hydrogène.
On peut également noter qu’une telle variation du coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore et avec la quantité de gaz qui est, comme l’ont découvert les inventeurs, caractéristique du gaz contaminant, peut également être employée pour l’identification d’un gaz contaminant introduit dans l’espace de mesure.
Possibilité d’identification d’une contamination
Ainsi, selon cette possibilité de l’invention, à partir des résultats présentés ci-dessus dans la partie «principe de mesure mis en œuvre dans le cadre de l’invention », les inventeurs ont développé un procédé d’identification du gaz contaminant basé sur le fait que l’évolution de la variation de ce coefficient d’atténuation ΔαGazavec la fréquence de l’onde ultrasonore est caractéristique du gaz contaminant.
Dans le cadre de cette possibilité d’identification d’une contamination, les inventeurs ont retenu la variation de l’atténuation normalisée en fréquence Δαnen tant que valeur d’atténuation, vis-à-vis de la variation d’atténuation « non normalisée en fréquence », qui permet de mieux mettre en exergue les spécificités de chacun des gaz envisagés (l’hydrogène, le méthane et le dioxyde de carbone). Cette valeur d’atténuation dite normalisée en fréquence Δαnest égale à la valeur de la variation du coefficient d’atténuation ΔαGazdivisée par la fréquence f. Bien entendu, l’utilisation de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnen tant que valeur d’atténuation dans le cadre de cette possibilité d’identification n’est fournie qu’à titre d’exemple et d’autres valeurs d’atténuation, telles que la variation d’atténuation ΔαGaz, qui est donc « non normalisée en fréquence », peuvent bien entendu également être utilisées dans le cadre d’une telle possibilité.
En effet, la figure 6, qui illustre l’évolution de la variation du coefficient d’atténuation normalisée en fréquence Δαn en fonction de la fréquence (les courbes 141, 142 et 143 correspondant à une introduction de respectivement 1% d’hydrogène, 4% de dioxyde de carbone et 4% de méthane), montre que, avec la variation du coefficient d’atténuation normalisée Δαnen tant que valeur d’atténuation, on obtient pour une première et une deuxième fréquence à 2 MHz et 3,6 MHz :
- pour l’hydrogène, la courbe 141 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnprésentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation positive de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le dioxyde de carbone, la courbe 142 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn ,présentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le méthane, courbe 143 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, présentant un signe négatif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence.
- pour l’hydrogène, la courbe 141 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnprésentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation positive de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le dioxyde de carbone, la courbe 142 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn ,présentant un signe positif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence,
- pour le méthane, courbe 143 montre une valeur d’atténuation, la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, présentant un signe négatif (aussi bien à 2 MHz qu’à 3,6 MHz) et une variation négative de cette même valeur d’atténuation en passant de la première à la deuxième fréquence.
Ainsi en cas d’observation d’une variation de l’atténuation d’une onde ultrasonore dans la chambre de mesure et donc d’une potentielle contamination du milieu gazeux par un gaz contaminant, à partir de deux paramètres d’atténuation seuls, le signe de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn(aussi bien à la première fréquence qu’à la deuxième fréquence) et le signe de l’évolution de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnentre la première et la deuxième fréquence, il est aisé de déterminer la nature de gaz contaminant présent dans le milieu gazeux.
Selon cette possibilité, l’unité de traitement 30 peut être configurée pour autoriser la mise en œuvre d’un procédé d’identification comprenant les étapes suivantes :
- émission par l’émetteur d’ultrasons 10 d’une première et d’une deuxième onde ultrasonore à respectivement la première et la deuxième fréquence,
- mesure d’un signal caractéristique par le récepteur à ultrasons 20 de respectivement la première et de la deuxième onde ultrasonore,
- détermination d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation, ici les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences Δαn(f1) et Δαn(f2), respective à partir de respectivement les premier et deuxième signaux caractéristiques mesurés,
- calcul d’au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, ici un différence entre les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences,
- identification de la nature de l’éventuel gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation (Δαn(f2)-Δαn(f1)), ceci par exemple à partir de paramètres d’atténuation ,
- détermination d’une valeur caractéristique de la présence de l’éventuel gaz identifié.
- émission par l’émetteur d’ultrasons 10 d’une première et d’une deuxième onde ultrasonore à respectivement la première et la deuxième fréquence,
- mesure d’un signal caractéristique par le récepteur à ultrasons 20 de respectivement la première et de la deuxième onde ultrasonore,
- détermination d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation, ici les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences Δαn(f1) et Δαn(f2), respective à partir de respectivement les premier et deuxième signaux caractéristiques mesurés,
- calcul d’au moins une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation, ici un différence entre les variations d’atténuation normalisée aux première et deuxième fréquences,
- identification de la nature de l’éventuel gaz contaminant sur la base de la valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation et d’au moins l’une de la première et la deuxième valeur d’atténuation (Δαn(f2)-Δαn(f1)), ceci par exemple à partir de paramètres d’atténuation ,
- détermination d’une valeur caractéristique de la présence de l’éventuel gaz identifié.
Dans le cadre de l’invention, la première fréquence est une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, ceci de manière à permettre, selon le principe de l’invention, la détection de la présence d’hydrogène.
Afin de permettre l’identification de la nature de l’éventuel gaz contaminant, l’unité de traitement 30 peut ainsi être configurée pour déterminer au moins deux paramètres d’atténuation dont :
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence, ici le signe de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnsoit à la première fréquence, soit à la deuxième fréquence Sign(Δαn(f1ou f2),
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence, ladite différence correspondant à une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation qui sont ici les variations d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, Sign(Δαn(f2) - Δαn(f1)).
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence, ici le signe de la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαnsoit à la première fréquence, soit à la deuxième fréquence Sign(Δαn(f1ou f2),
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence, ladite différence correspondant à une valeur caractéristique de l’évolution d’atténuation entre la première et la deuxième valeur d’atténuation qui sont ici les variations d’atténuation normalisée en fréquence Δαn, Sign(Δαn(f2) - Δαn(f1)).
Bien entendu, ces deux paramètres ne sont fournis qu’à titre d’exemple, d’autres paramètres d’atténuation peuvent être envisagés sans que l’on sorte du cadre de l’invention. On notera en particulier, dans le cas où on s’intéresserait à un nombre plus important de gaz contaminants, qu’il est parfaitement envisageable d’utiliser une valeur de pente à la première fréquence ou encore, lorsqu’une fuite est avérée, un rapport de variation entre la variation d’atténuation normalisée en fréquence à la première fréquence Δαn(f1) et la variation d’atténuation normalisée en fréquence à la deuxième fréquence Δαn(f2).
Une fois un gaz contaminant identifié, l’unité de traitement 30 peut en outre être configurée pour déterminer une valeur caractéristique de la présence du gaz contaminant identifié. Une telle valeur caractéristique de la présence du gaz contaminant peut être déterminée à partir d’au moins l’une de la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence. D’une manière avantageuse la valeur d’atténuation utilisée pour déterminer la valeur caractéristique de présence du gaz contaminant peut-être la valeur d’atténuation parmi la valeur d’atténuation déterminée pour la première et la deuxième fréquence qui est attendue comme présentant la sensibilité la plus importante pour le gaz contaminant identifié la fréquence correspondante est dite fréquence adaptée. On notera que dans le présent mode de réalisation, une valeur d’atténuation à une troisième fréquence égale à 4,1 MHz a été également déterminée, la sélection se faisant ainsi entre les valeurs d’atténuation déterminées pour la première à la troisième fréquence.
Ainsi, selon cette possibilité de ce présent mode de réalisation, l’émetteur d’ultrasons 10 peut être configuré pour émettre au moins une troisième onde ultrasonore à une troisième fréquence distincte de la première et de la deuxième fréquence. Le récepteur à ultrasons 20 est configuré pour fournir au moins un troisième signal caractéristique de respectivement la troisième onde ultrasonore, et la fréquence adaptée est une fréquence parmi au moins la première à la troisième fréquence ultrasonore.
Afin d’illustrer une telle possibilité, les inventeurs ont mis en œuvre le principe de fonctionnement d’un tel procédé de surveillance d’un espace de mesure pour une contamination à l’hydrogène, au dioxyde de carbone et au méthane à partir des mesures présentées dans le cadre des figures 3, 4 et 5. Ainsi, à partir de ces mesures, il a été possible de montrer le résultat d’un tel procédé dans le cadre d’introductions respectives de 1%, 2%, 3% et 4% d’hydrogène, de dioxyde de carbone et méthane dans l’espace de mesure 40 qui présente une atmosphère azoté.
Pour chaque quantité de gaz contaminant, sur la base des résultats illustrés sur les figures 3, 4 et 5, les valeurs d’atténuation de la première onde ultrasonore sont celles correspondant aux ondes ultrasonores dont la fréquence est égale à 2 MHz, et celles de la deuxième onde ultrasonore sont celles correspondant aux ondes ultrasonores dont la fréquence est égale à 3,6 MHz. La première fréquence est ainsi 2 MHz et la deuxième fréquence est 3,6 Mhz, ces deux fréquences étant, conformément au principe de l’invention, toutes deux supérieures ou égales à 2 MHz.
A partir de ces valeurs d’atténuation, les inventeurs ont pu déterminer pour chaque quantité de gaz contaminant :
- un premier signe de la valeur d’atténuation normalisée à la première fréquence (autrement dit, si la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn(f1) à la première fréquence augmente ou diminue lors de l’introduction du gaz contaminant), et
- un deuxième signe de la différence Δαn(f2)- Δαn(f1) entre la valeur d’atténuation (ici les variations du coefficient d’atténuation normalisé en fréquence Δαn) déterminée pour la deuxième fréquence et pour la première fréquence.
- un premier signe de la valeur d’atténuation normalisée à la première fréquence (autrement dit, si la variation d’atténuation normalisée en fréquence Δαn(f1) à la première fréquence augmente ou diminue lors de l’introduction du gaz contaminant), et
- un deuxième signe de la différence Δαn(f2)- Δαn(f1) entre la valeur d’atténuation (ici les variations du coefficient d’atténuation normalisé en fréquence Δαn) déterminée pour la deuxième fréquence et pour la première fréquence.
Comme indiqué précédemment, les signes attendus pour chacun des trois gaz contaminants ont été déterminés à partir de la figure 6, à savoir :
- un premier et un deuxième signe positifs pour l’hydrogène,
- un premier signe positif et un deuxième signe négatif pour le dioxyde de carbone,
- un premier et un deuxième signe négatifs pour le méthane.
- un premier et un deuxième signe positifs pour l’hydrogène,
- un premier signe positif et un deuxième signe négatif pour le dioxyde de carbone,
- un premier et un deuxième signe négatifs pour le méthane.
De la même façon, sur la base du tableau 1, il a été défini pour chacun des gaz contaminants la fréquence adaptée pour déterminer la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant, ici la proportion de gaz dans l’espace de mesure 40. Ainsi pour l’hydrogène, il s’agit de la troisième fréquence qui est 4,1 MHz (bien supérieure à 2 MHz conformément à l’invention) et pour le méthane, il s’agit de la deuxième fréquence 3,6 MHz et pour le dioxyde de carbone il s’agit de la première fréquence qui est 2 MHz.
On notera que dans la cadre de l’invention, qu’il aurait parfaitement été envisageable d’utiliser une fréquence inférieure à 2 MHz afin de favoriser la sensibilité au dioxyde de carbone et au méthane.
| Mélange introduit | Mesure | Détermination par 30 | ||||
| Gaz | Quantité (%) | Signe de Δα n (f1) | Signe de Δα n (f2)-Δα n (f1) | fréquence adaptée MHz | Gaz identifié | Quantité estimée (%) |
| H 2 | 1 | + | + | 4,1 | H 2 | 0,98 |
| 2 | + | + | 4,1 | 1,99 | ||
| 3 | + | + | 4,1 | 2,98 | ||
| 4 | + | + | 4,1 | 4.04 | ||
| CO 2 | 1 | + | - | 2 | CO 2 | 1,18 |
| 2 | + | - | 2 | 1,94 | ||
| 3 | + | - | 2 | 3,15 | ||
| 4 | + | - | 2 | 3,88 | ||
| CH 4 | 1 | - | - | 3,6 | CH 4 | 1,02 |
| 2 | - | - | 3,6 | 1,79 | ||
| 3 | - | - | 3,6 | 3,24 | ||
| 4 | - | - | 3,6 | 3,93 |
On peut voir qu’en appliquant le procédé selon cette possibilité compatible avec l’invention, chacun des gaz contaminants a bien été identifié et les proportions déterminées sont proches des valeurs attendues montrant le bon fonctionnement du procédé.
Bien entendu, une telle mise en œuvre du procédé d’identification n’est fournie qu’à titre d’exemple de cette possibilité compatible avec l’invention et est donc nullement limitative. Ainsi, il est envisageable, sans que l’on sorte du cadre de l’invention, d’utiliser plus de deux fréquences d’onde ultrasonore afin de déterminer les paramètres d’atténuation permettant de discriminer la nature du gaz contaminant, ou encore d’utiliser d’autres types de variations que celles décrites ci-dessus (notamment utiliser une valeur d’atténuation ou de différence d’atténuation, voire de différence de variation d’atténuation en tant que telle, plutôt que des signes tels qu’utilisés dans le tableau 2).
On notera aussi, qu’il est parfaitement envisageable, sur la base du présent enseignement et à partir d’algorithmes du type apprentissage profond (plus connu sous sa dénomination anglaise « deep learning »), de pouvoir identifier un nombre important de gaz contaminants susceptibles de contaminer, et même des contaminations simultanées par plusieurs gaz contaminants, ceci en complément de la détection de l’hydrogène.
De plus, si le présent document se concentre sur la détection de l’hydrogène et d’un éventuel gaz contaminant dans un milieu gazeux à surveiller et sur la détermination de la quantité d’hydrogène et de l’éventuel gaz contaminant se trouvant dans ce même milieu gazeux, dans le cadre de la mise en œuvre pratique d’un tel dispositif, l’unité de traitement 30 peut être configurée pour détecter une telle contamination ou une suspicion de contamination à partir de la détection d’une variation d’atténuation d’au moins une onde ultrasonore, telle que la première et la deuxième onde ultrasonore. Selon cette possibilité, une partie, ou la totalité, des étapes de détection d’hydrogène peuvent être mises en œuvre uniquement dans le cas de la détection d’une telle contamination ou d’une suspicion de contamination du milieu gazeux à surveiller (la mise en œuvre de ces étapes n’étant pas nécessaire dans le cas où il n’y aurait pas de contamination). De la même façon, certaines des étapes de la détection d’une éventuelle contamination du milieu gazeux peuvent être communes avec celle de la détection de l’hydrogène (notamment celles concernant l’émission de l’onde ultrasonore et de la mesure du signal caractéristique de cette dernière).
De cette façon, le principe de mesure découvert par les inventeurs, basé sur la variation de l’atténuation des ondes ultrasonores avec la fréquence de l’onde ultrasonore et en fonction de la composition de l’atmosphère se trouvant dans l’espace de mesure 40, est particulièrement fiable. Comme montré sur la figure 7, afin de démontrer la fiabilité apportée par les inventeurs et montrer la reproductivité d’une telle valeur d’atténuation, les inventeurs ont reproduit une mesure de variation d’atténuation ΔαGazdans le cadre d’une introduction d’hydrogène conforme à la mesure montrée sur la figure 3 une première fois avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 37 µm, comme le montre la courbe 151, avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 27 µm, la courbe 152, et une deuxième fois avec un émetteur d’ultrasons présentant une surface de 27 µm par 27 µm, courbe 153. On peut voir que ces courbes se superposent et montrent donc la fiabilité de cette mesure que ce soit dans le cadre de l’invention ou de la possibilité compatible avec l’invention. Une telle fiabilité est parfaitement compatible avec le domaine de la sécurisation des bâtiments et des travailleurs dans lequel s’inscrit l’invention.
On notera de plus que dans le présent mode de réalisation, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 présentent une configuration dans laquelle ils sont en regard l’un de l’autre afin de définir l’espace de mesure 40. Bien entendu d’autres configurations sont envisageables sans que l’on sorte du cadre de l’invention, tant que dans ces configurations, l’agencement de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 permet de définir l’espace de mesure 40. On notera en particulier, qu’il est envisageable d’utiliser une ou plusieurs parois aptes à réfléchir les ondes ultrasonores afin d’utiliser des configurations autres.
Ainsi, selon une variante de l’invention et de la possibilité compatible avec l’invention, l’émetteur d’ultrasons 10 et le récepteur à ultrasons 20 peuvent utiliser le ou les mêmes transducteurs à ultrasons en combinaison avec une paroi apte à réfléchir les ultrasons, les transducteurs à ultrasons permettant, dans le cadre de l’émetteur à ultrasons 10, d’émettre la ou les ondes à ultrasons 45 sous forme de trains d’onde, et permettant, après réflexion desdits trains d’onde par ladite paroi, de mesurer un signal caractéristique desdits trains d’onde. On notera que dans cette configuration, l’onde ultrasonore parcourt l’espace de mesure deux fois et présente donc, de ce fait, une atténuation double à laquelle s’ajoutent les pertes liées à la réflexion sur la paroi.
De même, selon une autre variante similaire basée sur l’utilisation d’une paroi réfléchissante, les transducteurs de chacun de l’émetteur d’ultrasons 10 et du récepteur à ultrasons 20 peuvent être disposés sur un même support. Ici aussi, avec une telle configuration, l’onde ultrasonore parcourt l’espace de mesure deux fois et présente donc, de ce fait, une atténuation double à laquelle s’ajoutent les pertes liées à la réflexion sur la paroi.
Claims (11)
- Dispositif de détection (1) d’hydrogène comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons (10) apte à émettre des ondes ultrasonores (45),
- au moins un récepteur à ultrasons (20) apte à fournir au moins un signal caractéristique d’une onde ultrasonore (45), l’émetteur d’ultrasons (10) et le récepteur à ultrasons (20) étant agencés de manière à définir un espace de mesure (40) et à ce qu’une onde ultrasonore (45) émise par l’émetteur d’ultrasons (10) soit reçue par le récepteur à ultrasons (20) après être passée par l’espace de mesure (40),
- une unité de traitement (30) apte à déterminer, à partir du signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons (20) lors de la réception d’une onde ultrasonore (45) émise par l’émetteur d’ultrasons (10), une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure (40),
Le dispositif de détection (1) étant caractérisé en ce que :
- l’émetteur d’ultrasons (10) est configuré pour émettre des ondes ultrasonores (45) à une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz,
- l’unité de traitement (30) est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une valeur d’atténuation de l’onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons (10), ladite valeur d’atténuation étant déterminée à partir d’une valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore (45) reçue. - Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon la revendication 1, dans lequel la valeur d’atténuation est déterminée à partir d’un rapport entre une valeur caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue et une valeur caractéristique d’amplitude d’au moins une onde ultrasonore préalablement déterminée en absence d’hydrogène dans l’espace de mesure (40).
- Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la valeur caractéristique de présence d’hydrogène est une valeur estimée de la quantité d’hydrogène présente dans l’espace de mesure (40).
- Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l’émetteur d’ultrasons (10) est configuré pour émettre des ondes ultrasonores à au moins une première fréquence et une deuxième fréquence dont au moins l’une de la première et la deuxième fréquence est supérieure ou égale à 2 MHz,
dans lequel l’unité de traitement (30) est préférentiellement configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base de valeurs d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence. - Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon la revendication 4, dans lequel l’unité de traitement (30) est apte à fournir une valeur caractéristique de la présence d’au moins un autre gaz que l’hydrogène, l’au moins un autre gaz étant préférentiellement sélectionné parmi le dioxyde de carbone et le méthane.
- Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon les revendications 4 et 5, dans lequel l’unité de traitement (30) est en outre configurée pour identifier la nature de l’éventuel gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz à partir des valeurs d’atténuation déterminées, l’unité de traitement (30) étant en outre configurée pour déterminer la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz après identification de l’éventuel gaz contaminant à partir d’au moins une valeur d’atténuation déterminée parmi les valeurs d’atténuation déterminées pour la première et la deuxième fréquence.
- Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon la revendication 6, dans lequel l’unité de traitement (30) est configurée pour déterminer au moins deux paramètres d’atténuation dont :
- un signe de la valeur d’atténuation déterminée pour l’une de la première et de la deuxième fréquence,
- un signe de la différence entre la valeur d’atténuation déterminée pour la première fréquence et la valeur d’atténuation déterminée pour la deuxième fréquence,
la nature de l’éventuel gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz étant identifiée à partir desdits paramètres d’atténuation. - Dispositif de détection (1) d’hydrogène selon la revendication 7, dans lequel lors de la détermination de la valeur caractéristique de la présence dudit gaz contaminant parmi l’hydrogène et l’au moins un autre gaz après identification de l’éventuel gaz contaminant, la valeur d’atténuation déterminée utilisée est choisie par l’unité de traitement parmi celles déterminées pour la première et la deuxième fréquence en fonction de la nature de l’éventuel gaz contaminant identifié.
- Procédé de détection d’hydrogène à partir d’un dispositif de détection (1) d’hydrogène, le dispositif de détection d’hydrogène comprenant :
- au moins un émetteur d’ultrasons (10) apte à émettre des ondes ultrasonores (45),
- au moins un récepteur à ultrasons (20) apte à fournir au moins un signal caractéristique d’une onde ultrasonore (45), l’émetteur d’ultrasons (10) et le récepteur à ultrasons (20) étant agencés de manière à définir un espace de mesure (40) et à ce qu’une onde ultrasonore (45) émise par l’émetteur d’ultrasons (10) soit reçue par le récepteur à ultrasons (20) après être passée par l’espace de mesure (40),
- une unité de traitement (30) apte à déterminer, à partir de l’au moins un signal caractéristique fourni par le récepteur à ultrasons (20) lors d’une émission d’ultrasons (45) par l’émetteur d’ultrasons (20), une valeur caractéristique de la présence d’hydrogène dans l’espace de mesure (40),
Le procédé comprenant les étapes suivantes :
- émission d’au moins une onde ultrasonore (45) par l’émetteur d’ultrasons (10), l’onde ultrasonore (45) présentant une fréquence supérieure ou égale à 2 MHz, la fréquence étant préférentiellement supérieure à 2,5 MHz, avec une amplitude donnée,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons (20) lors de la réception de l’au moins une onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons (10), d’au moins un signal caractéristique de l’au moins une onde ultrasonore,
- détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène par l’unité de traitement (30) sur la base de la caractéristique d’amplitude de l’onde ultrasonore reçue. - Procédé de détection selon la revendication 9, dans lequel il est en outre prévu les étapes suivantes :
- émission d’au moins une autre onde ultrasonore (45) par l’émetteur d’ultrasons (10), l’autre onde ultrasonore (45) présentant une deuxième fréquence,
- fourniture, par le récepteur d’ultrasons (20) lors de la réception de l’autre onde ultrasonore émise par l’émetteur d’ultrasons (10), d’au moins un signal caractéristique de l’autre onde ultrasonore,
dans lequel lors de l’étape de détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène, l’unité de traitement (30) est configurée pour déterminer la valeur caractéristique de présence d’hydrogène sur la base d’une première et d’une deuxième valeur d’atténuation obtenues respectivement à la première et à la deuxième fréquence. - Procédé de détection selon la revendication 10, dans lequel lors de l’étape de détermination de la valeur caractéristique de présence d’hydrogène par l’unité de traitement (30), il est en outre déterminé une valeur caractéristique de la présence d’un autre gaz que l’hydrogène.
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| FR2009222A FR3114152A1 (fr) | 2020-09-11 | 2020-09-11 | Dispositif et procédé de détection d’hydrogène |
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