FR3153153A1 - System for measuring the concentration of at least one chemical component of a flowing fluid - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système de mesure (100) d’une concentration d’au moins un composant chimique d’un fluide en flux (200) comprenant : - une source de lumière (10) configurée pour émettre un faisceau lumineux d’excitation (11), - une cellule de mesure (20) comprenant un conduit fluidique adapté à un écoulement du fluide comprenant des hublots (23, 24) respectivement agencés pour recevoir le faisceau lumineux d’excitation et transmettre un premier faisceau lumineux (12) formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation à travers le fluide,- un dispositif optique (30) positionné pour réfléchir le premier faisceau lumineux et former un faisceau lumineux réfléchi (13) en direction du fluide, un deuxième faisceau lumineux (14) étant formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi à travers le fluide, - un spectromètre (45) Raman configuré pour recevoir le deuxième faisceau lumineux et générer une mesure de spectrométrie, - un capteur de pression (50) adapté à mesurer une pression du fluide, - une unité de calcul (60) programmée pour déterminer la concentration du au moins un composant chimique sur la base de la mesure de spectrométrie et de la pression du fluide. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 The invention relates to a system (100) for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid (200) comprising: - a light source (10) configured to emit an excitation light beam (11), - a measuring cell (20) comprising a fluid conduit adapted to a flow of the fluid comprising portholes (23, 24) respectively arranged to receive the excitation light beam and transmit a first light beam (12) formed by diffusion and/or transmission of the excitation light beam through the fluid, - an optical device (30) positioned to reflect the first light beam and form a reflected light beam (13) in the direction of the fluid, a second light beam (14) being formed by diffusion and/or transmission of the reflected light beam through the fluid, - a Raman spectrometer (45) configured to receive the second light beam and generate a spectrometry measurement, - a pressure sensor (50) adapted to measure a pressure of the fluid, - a computing unit (60) programmed to determine the concentration of at least one chemical component based on the spectrometry measurement and the fluid pressure. Figure for abstract: Fig. 1
Description
La présente invention concerne de manière générale la mesure de concentration dans des fluides, notamment des gaz.The present invention relates generally to the measurement of concentration in fluids, in particular gases.
Elle concerne plus particulièrement un système de mesure d’une concentration d’au moins un composant chimique d’un fluide en flux pour un système générateur électrochimique de type pile à combustible ou électrolyseur.It relates more particularly to a system for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid for an electrochemical generator system of the fuel cell or electrolyser type.
L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la mesure de gaz entrant ou sortant dans un tel système générateur électrochimiqueThe invention finds a particularly advantageous application in the measurement of gas entering or leaving such an electrochemical generator system.
Un système générateur électrochimique de type pile à combustible permet de générer de l’énergie électrique à partir de l’oxydation de combustible. Ce combustible est par exemple de l’hydrogène. On obtient ainsi la génération d’électricité à partir d’hydrogène.An electrochemical generator system such as a fuel cell generates electrical energy from the oxidation of fuel. This fuel is, for example, hydrogen. This produces electricity from hydrogen.
A l’inverse, un système générateur électrochimique de type électrolyseur, permet de générer un composant chimique à partir d’énergie électrique. Par exemple, un système générateur électrochimique comprenant une cellule électrolytique basée sur l’électrolyse de l’eau permet, grâce à de l’énergie électrique, de générer de l’hydrogène et de l’oxygène. On obtient ainsi la génération d’hydrogène.Conversely, an electrochemical generator system such as an electrolyzer can generate a chemical component from electrical energy. For example, an electrochemical generator system comprising an electrolytic cell based on the electrolysis of water can generate hydrogen and oxygen using electrical energy. This results in the generation of hydrogen.
Afin de pouvoir caractériser l’état d’un tel système générateur électrochimique en fonctionnement, et ainsi estimer les performances en temps réel, il est nécessaire de mesurer les concentrations des différents éléments chimiques entrant et/ou sortant du système générateur électrochimique.In order to be able to characterize the state of such an electrochemical generator system in operation, and thus estimate the performance in real time, it is necessary to measure the concentrations of the different chemical elements entering and/or leaving the electrochemical generator system.
Des solutions consistent en l’extraction d’une partie du gaz en entrée ou en sortie du système générateur électrochimique et en l’analyse dudit gaz avec ou sans destruction de l’échantillon extrait. En pratique, une partie du flux est dérivée vers un système de mesure dans lequel la pression est contrôlée. Cette extraction entraine toutefois des perturbations dans le fonctionnement du système générateur électrochimique.Solutions consist of extracting part of the gas at the inlet or outlet of the electrochemical generator system and analyzing said gas with or without destroying the extracted sample. In practice, part of the flow is diverted to a measuring system in which the pressure is controlled. However, this extraction causes disturbances in the operation of the electrochemical generator system.
De plus, au cours du fonctionnement du système générateur électrochimique, la pression du fluide en flux est amenée à varier, notamment lorsqu'il passe d'un état de repos à un état actif. A titre d’exemple, l’utilisation du système générateur électrochimique pour la génération de courant s’accompagne d’une consommation de dihydrogène plus importante et d’une forte production d’eau, ce qui entraine une diminution de la pression en sortie du système générateur électrochimique.Furthermore, during the operation of the electrochemical generator system, the pressure of the flowing fluid is likely to vary, particularly when it passes from a resting state to an active state. For example, the use of the electrochemical generator system for generating current is accompanied by a higher consumption of dihydrogen and a high production of water, which leads to a reduction in the pressure at the outlet of the electrochemical generator system.
Dans ce contexte, la présente invention propose un système de mesure d’une concentration d’au moins un composant chimique d’un fluide en flux pour un système générateur électrochimique, le système de mesure comprenant :
- une source de lumière configurée pour émettre un faisceau lumineux d’excitation,
- une cellule de mesure comprenant un conduit fluidique adapté à un écoulement du fluide en flux, la cellule de mesure comprenant deux hublots étanches disposés latéralement sur le conduit fluidique et positionnés en regard l’un de l’autre sur un axe optique principal transverse au conduit fluidique, les hublots étant respectivement agencés pour recevoir le faisceau lumineux d’excitation et transmettre un premier faisceau lumineux formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation à travers le fluide en flux,
- un dispositif optique au moins partiellement réfléchissant positionné pour réfléchir le premier faisceau lumineux et former un faisceau lumineux réfléchi en direction du fluide en flux, les hublots étant respectivement agencés pour recevoir le faisceau lumineux réfléchi et transmettre un deuxième faisceau lumineux formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi à travers le fluide en flux,
- un spectromètre Raman configuré pour recevoir le deuxième faisceau lumineux et générer, sur la base du deuxième faisceau lumineux, une mesure de spectrométrie,
- un capteur de pression adapté à mesurer une pression du fluide en flux,
- une unité de calcul programmée pour déterminer la concentration du au moins un composant chimique sur la base de la mesure de spectrométrie et de la pression du fluide en flux.In this context, the present invention provides a system for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid for an electrochemical generator system, the measuring system comprising:
- a light source configured to emit an excitation light beam,
- a measuring cell comprising a fluid conduit adapted to a flow of the fluid in flux, the measuring cell comprising two sealed portholes arranged laterally on the fluid conduit and positioned opposite one another on a main optical axis transverse to the fluid conduit, the portholes being respectively arranged to receive the excitation light beam and transmit a first light beam formed by diffusion and/or transmission of the excitation light beam through the fluid in flux,
- an at least partially reflective optical device positioned to reflect the first light beam and form a reflected light beam in the direction of the flowing fluid, the portholes being respectively arranged to receive the reflected light beam and transmit a second light beam formed by diffusion and/or transmission of the reflected light beam through the flowing fluid,
- a Raman spectrometer configured to receive the second light beam and generate, based on the second light beam, a spectrometry measurement,
- a pressure sensor suitable for measuring the pressure of the flowing fluid,
- a computing unit programmed to determine the concentration of the at least one chemical component on the basis of the spectrometry measurement and the pressure of the flowing fluid.
Ainsi, la cellule de mesure selon l’invention permet de mesurer les concentrations des différents éléments chimiques sans dérivation du flux.Thus, the measuring cell according to the invention makes it possible to measure the concentrations of the different chemical elements without diversion of the flow.
De plus, grâce à l’invention, les variations intrinsèques de la pression du fluide en flux sont prises en compte lors de la mesure de la concentration. En d’autres termes, le signal issu du spectromètre est corrigé des variations de pression. Cela permet ainsi d’obtenir une mesure de la concentration qui est indépendante de la pression du fluide en flux.Furthermore, thanks to the invention, intrinsic variations in the pressure of the flowing fluid are taken into account when measuring the concentration. In other words, the signal from the spectrometer is corrected for pressure variations. This makes it possible to obtain a concentration measurement that is independent of the pressure of the flowing fluid.
D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du système conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le capteur de pression est agencé à l’intérieur du conduit fluidique ;
- le capteur de pression est positionné à moins de 10 cm de l’un des hublots ;
- le capteur de pression est une jauge de pression ou un capteur de pression connecté ;
- le capteur de pression est adapté à mesurer une pression inférieure à 6 bars ;
- le capteur de pression est adapté à mesurer la pression du fluide en flux de façon répétée à une fréquence comprise entre 0,1 et 10 Hz ;
- le au moins un composant chimique est sélectionné parmi de l’eau, du diazote, du dihydrogène et du dioxygène ;
- l’unité de calcul est programmée pour calculer la concentration du au moins un composant chimique sur la base d’une division de la mesure de spectrométrie par la pression du fluide en flux ;
- le au moins un composant chimique est également présent dans l’air ambiant, et l’unité de calcul est programmée pour appliquer une correction à la mesure de spectrométrie sur la base d’une mesure de spectrométrie de référence générée par le spectromètre lorsqu’un fluide en flux de référence qui est dépourvu dudit composant chimique s’écoule dans le conduit fluidique.Other advantageous and non-limiting characteristics of the system according to the invention, taken individually or in all technically possible combinations, are the following:
- the pressure sensor is arranged inside the fluid conduit;
- the pressure sensor is positioned less than 10 cm from one of the portholes;
- the pressure sensor is a pressure gauge or a connected pressure sensor;
- the pressure sensor is suitable for measuring a pressure lower than 6 bars;
- the pressure sensor is adapted to measure the pressure of the flowing fluid repeatedly at a frequency between 0.1 and 10 Hz;
- the at least one chemical component is selected from water, nitrogen, hydrogen and oxygen;
- the computing unit is programmed to calculate the concentration of the at least one chemical component on the basis of a division of the spectrometry measurement by the pressure of the flowing fluid;
- the at least one chemical component is also present in the ambient air, and the computing unit is programmed to apply a correction to the spectrometry measurement based on a reference spectrometry measurement generated by the spectrometer when a reference flow fluid that is devoid of said chemical component flows in the fluid conduit.
L’invention propose aussi un procédé de mesure d’une concentration d’au moins un composant chimique d’un fluide en flux comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux d’excitation ;
- diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation à travers le fluide en flux de sorte à former un premier faisceau lumineux ;
- réflexion du premier faisceau lumineux en un faisceau lumineux réfléchi en direction du fluide en flux et diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi à travers le fluide en flux de sorte à former un deuxième faisceau lumineux ;
- génération, par un spectromètre Raman, d’une mesure de spectrométrie sur la base du deuxième faisceau lumineux ;
- mesure d’une pression du fluide en flux ;
- calcul de la concentration du au moins un composant chimique sur la base de la mesure de spectrométrie et de la pression du fluide en flux.The invention also provides a method for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid comprising the following steps:
- emission of an excitation light beam;
- diffusion and/or transmission of the excitation light beam through the flowing fluid so as to form a first light beam;
- reflection of the first light beam into a light beam reflected towards the flowing fluid and diffusion and/or transmission of the reflected light beam through the flowing fluid so as to form a second light beam;
- generation, by a Raman spectrometer, of a spectrometry measurement based on the second light beam;
- measurement of fluid pressure in flow;
- calculation of the concentration of at least one chemical component based on the spectrometry measurement and the pressure of the flowing fluid.
Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.Of course, the various features, variants and embodiments of the invention may be combined with each other in various combinations to the extent that they are not incompatible or mutually exclusive.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.The description which follows with reference to the attached drawings, given as non-limiting examples, will make it clear what the invention consists of and how it can be implemented.
Sur les dessins annexés :On the attached drawings:
Sur la
Comme le montre la
Le système de mesure 100 est particulièrement adapté à mesurer le fluide 200 provenant ou alimentant un système générateur électrochimique 301. Le système générateur électrochimique 301 peut être utilisé comme électrolyseur. Par exemple, le système générateur électrochimique 301 est un électrolyseur utilisé pour la fabrication d’hydrogène. Le système générateur électrochimique 301 consomme alors de l’électricité afin de produire de l’hydrogène.The measuring system 100 is particularly suitable for measuring the fluid 200 coming from or supplying an electrochemical generator system 301. The electrochemical generator system 301 can be used as an electrolyzer. For example, the electrochemical generator system 301 is an electrolyzer used for the production of hydrogen. The electrochemical generator system 301 then consumes electricity in order to produce hydrogen.
Dans une autre application, le système générateur électrochimique 301 est utilisé pour générer de l’électricité. Dans ce cas, le système générateur électrochimique 301 consomme un combustible, par exemple de l’hydrogène, afin de produire de l’électricité.In another application, the electrochemical generator system 301 is used to generate electricity. In this case, the electrochemical generator system 301 consumes a fuel, for example hydrogen, in order to produce electricity.
Le spectromètre 45 est particulièrement adapté pour mesurer la concentration d’au moins un composant chimique du fluide 200 parmi de l’eau, par exemple sous forme de vapeur d’eau, du diazote, du dihydrogène et du dioxygène.The spectrometer 45 is particularly suitable for measuring the concentration of at least one chemical component of the fluid 200 among water, for example in the form of water vapor, nitrogen, hydrogen and oxygen.
Ainsi, le spectromètre 45 est de préférence un spectromètre Raman.Thus, the spectrometer 45 is preferably a Raman spectrometer.
Ici, comme le montre la
La source de lumière 10 est de préférence un laser ayant une forte intensité. Ici, la source de lumière 10 est par exemple un laser d’une puissance de 1.5 W qui émet un faisceau lumineux monochromatique à une longueur d’onde de 532 nm. La source de lumière 10 est de forte puissance afin d’obtenir un signal Raman ayant une intensité suffisamment forte pour permettre un temps d’intégration compatible avec un suivi en temps réel, par exemple à une cadence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz. En variante, le faisceau lumineux d’excitation est généré à partir de n'importe quelle source de lumière adaptée à la spectrométrie Raman. La source de lumière 10 est par exemple commandée par le spectromètre 45.The light source 10 is preferably a laser having a high intensity. Here, the light source 10 is for example a laser with a power of 1.5 W which emits a monochromatic light beam at a wavelength of 532 nm. The light source 10 is of high power in order to obtain a Raman signal having an intensity sufficiently strong to allow an integration time compatible with real-time monitoring, for example at a rate of between 0.1 Hz and 10 Hz. Alternatively, the excitation light beam is generated from any light source suitable for Raman spectrometry. The light source 10 is for example controlled by the spectrometer 45.
La cellule de mesure 20 comprend une ouverture d’entrée 21, une ouverture de sortie 22, un premier hublot 23, un second hublot 24 et une enveloppe 25. Les hublots 23, 24 sont positionnés au niveau d’ouvertures latérales prévues dans l’enveloppe 25. L’enveloppe 25 et les hublots 23, 24 délimitent ici un conduit fluidique à l’intérieur duquel s’écoule le fluide 200. Le conduit fluidique s’étend donc de l’ouverture d’entrée 21 à l’ouverture de sortie 22 de la cellule de mesure 20.The measuring cell 20 comprises an inlet opening 21, an outlet opening 22, a first porthole 23, a second porthole 24 and a casing 25. The ports 23, 24 are positioned at lateral openings provided in the casing 25. The casing 25 and the ports 23, 24 here delimit a fluid conduit inside which the fluid 200 flows. The fluid conduit therefore extends from the inlet opening 21 to the outlet opening 22 of the measuring cell 20.
Comme représenté en
Ainsi, tel que cela est représenté sur la
Bien entendu, de façon réciproque, l’ouverture de sortie peut être reliée à un conduit d’acheminement de fluide en flux en entrée du système générateur électrochimique. Dans ce cas, la cellule de mesure permet d’effectuer des mesures sur le fluide entrant dans le système générateur électrochimique. La cellule de mesure est par exemple reliée à une entrée d'un système générateur électrochimique de type pile à combustible à hydrogène pour la génération d’électricité à partir d’hydrogène.Of course, conversely, the outlet opening can be connected to a fluid flow conduit at the inlet of the electrochemical generator system. In this case, the measuring cell can be used to carry out measurements on the fluid entering the electrochemical generator system. The measuring cell is, for example, connected to an inlet of an electrochemical generator system of the hydrogen fuel cell type for generating electricity from hydrogen.
Afin de ne pas engendrer de changement de pression ni de débit du fluide 200, la section de l’ouverture d’entrée 21, la section de l’ouverture de sortie 22 et la section de l’enveloppe 25 sont chacune supérieures ou égales à la section des conduits d’acheminement 302, 303 du fluide 200.In order not to cause any change in pressure or flow rate of the fluid 200, the section of the inlet opening 21, the section of the outlet opening 22 and the section of the casing 25 are each greater than or equal to the section of the conveying conduits 302, 303 of the fluid 200.
Les hublots 23, 24 sont étanches, ce qui signifie que le fluide 200 ne peut pas s’échapper du conduit fluidique au niveau des ouvertures latérales.The portholes 23, 24 are watertight, which means that the fluid 200 cannot escape from the fluid conduit at the side openings.
Ici, la cellule de mesure 20 comprend des joints (non représentés) interposés entre l’enveloppe 25 et les hublots 23, 24. La cellule de mesure 20 comprend par exemple un joint par hublot 23, 24.Here, the measuring cell 20 comprises seals (not shown) interposed between the casing 25 and the portholes 23, 24. The measuring cell 20 comprises, for example, one seal per porthole 23, 24.
Les joints sont par exemple fabriqués avec un matériau fluoroélastomère (communément appelé FKM ou viton).For example, seals are made from a fluoroelastomer material (commonly called FKM or viton).
On entend ici par « hublot » une pièce vitrée de forme quelconque permettant un accès optique à l’intérieur de l’enveloppe 25, c’est-à-dire à l’intérieure du conduit fluidique.Here, the term “porthole” is understood to mean a glazed part of any shape allowing optical access to the interior of the casing 25, that is to say to the interior of the fluid conduit.
Ainsi, chaque hublot 23, 24 comprend ici une lame de verre. Ces lames de verre sont fabriquées de préférence à partir d’un verre borosilicate ou aluminosilicate ou un verre d'alcali-aluminosilicate, par exemple à partir de BK7 ou avec du Gorilla Glass. De préférence, les lames de verres ne comportent pas de revêtement de surface sur leur face en contact avec le fluide 200 (c’est-à-dire leur face orientée vers l’intérieure de l’enveloppe 25). La composition et la disposition des lames de verre permettent d’éviter tout dégazage ou contamination du fluide 200 qui serait susceptible de polluer la mesure.Thus, each porthole 23, 24 here comprises a glass slide. These glass slides are preferably made from a borosilicate or aluminosilicate glass or an alkali-aluminosilicate glass, for example from BK7 or with Gorilla Glass. Preferably, the glass slides do not have a surface coating on their face in contact with the fluid 200 (i.e. their face oriented towards the inside of the casing 25). The composition and arrangement of the glass slides make it possible to avoid any degassing or contamination of the fluid 200 which would be likely to pollute the measurement.
Les deux hublots 23, 24 sont disposés latéralement sur l’enveloppe 25 en aval de l’ouverture d’entrée 21 et en amont de l’ouverture de sortie 22 en référence à l’écoulement du fluide 200. Les deux hublots 23, 24 sont positionnés en regard l’un de l’autre. Par exemple, lorsque l’enveloppe 25 est de section circulaire, les deux hublots 23, 24 sont disposés de manière diamétralement opposée l’un à l’autre. Dans un autre exemple, lorsque l’enveloppe 25 est de section carrée ou rectangulaire, les deux hublots 23, 24 sont disposés sur deux faces opposées de l’enveloppe 25. Dans tous les cas, les deux hublots 23, 24 sont agencés pour que le fluide 200 s’écoule entre les hublots 23, 24.The two portholes 23, 24 are arranged laterally on the casing 25 downstream of the inlet opening 21 and upstream of the outlet opening 22 with reference to the flow of the fluid 200. The two portholes 23, 24 are positioned opposite one another. For example, when the casing 25 is of circular section, the two portholes 23, 24 are arranged diametrically opposite one another. In another example, when the casing 25 is of square or rectangular section, the two portholes 23, 24 are arranged on two opposite faces of the casing 25. In all cases, the two portholes 23, 24 are arranged so that the fluid 200 flows between the portholes 23, 24.
Comme cela apparait sur la
Les deux hublots 23, 24, et plus particulièrement leur lame de verre, sont configurés pour transmettre le faisceau lumineux d’excitation 11. De préférence, comme le montre la
Le système 1 comprend aussi un élément optique 70 disposé sur le trajet du faisceau lumineux d’excitation 11, entre la source de lumière 10 et le premier hublot 23. L’élément optique 70 est configuré pour focaliser le faisceau lumineux d’excitation 11 dans le fluide 200 entre les deux hublots 23, 24 de la cellule de mesure 20. L’élément optique 70 est par exemple une lentille ou un objectif.The system 1 also comprises an optical element 70 arranged on the path of the excitation light beam 11, between the light source 10 and the first porthole 23. The optical element 70 is configured to focus the excitation light beam 11 in the fluid 200 between the two ports 23, 24 of the measuring cell 20. The optical element 70 is for example a lens or an objective.
Le dispositif optique 30 est au moins partiellement réfléchissant. De préférence, le dispositif optique 30 est un miroir concave. Le dispositif 30 comprend par exemple un miroir sphérique disposé de façon à ce que son centre de courbure soit sur l’axe optique principal OA, à équidistance entre les deux hublots 23, 24.The optical device 30 is at least partially reflective. Preferably, the optical device 30 is a concave mirror. The device 30 comprises, for example, a spherical mirror arranged so that its center of curvature is on the main optical axis OA, equidistant between the two portholes 23, 24.
Comme le montre la
La cellule de mesure 20 est ainsi du type double passe car, associé avec le dispositif optique 30, elle permet une double excitation du fluide 200. En effet, le faisceau d’excitation 11 traverse la cellule de mesure 20 puis est refocalisé dans le fluide 200, ce qui permet de doubler l’excitation. Cette configuration optique a de plus l’avantage de doubler l’angle solide de collection en collectant la lumière émise vers le spectromètre 45 mais aussi celle émise vers le dispositif optique 30 qui est alors réfléchie et renvoyée vers le spectromètre 45. Le terme « double passe » est ainsi lié au trajet aller-retour du faisceau lumineux dans la cellule de mesure 20. Cependant, le fluide 200 ne traverse qu’une seule fois la cellule de mesure 20, dans le sens du flux, sans interruption du flux.The measuring cell 20 is thus of the double pass type because, associated with the optical device 30, it allows double excitation of the fluid 200. Indeed, the excitation beam 11 passes through the measuring cell 20 and is then refocused in the fluid 200, which makes it possible to double the excitation. This optical configuration also has the advantage of doubling the solid collection angle by collecting the light emitted towards the spectrometer 45 but also that emitted towards the optical device 30 which is then reflected and returned to the spectrometer 45. The term “double pass” is thus linked to the round trip path of the light beam in the measuring cell 20. However, the fluid 200 only passes through the measuring cell 20 once, in the direction of the flow, without interruption of the flow.
Le capteur de pression 50 est adapté à mesurer une pression du fluide 200. Le capteur de pression 50 est plus particulièrement adapté à mesurer la pression du fluide 200 dans la cellule de mesure 20, c’est-à-dire dans le conduit fluidique. Les sections des conduits d’acheminement 302, 303 et de l’enveloppe 25 étant choisies pour éviter les changements de pression, la pression du fluide 200 peut en pratique être mesurée dans les conduits d’acheminement 302, 303 ou dans le conduit fluidique. Le capteur de pression 50 peut donc être placé à ces endroits.The pressure sensor 50 is adapted to measure a pressure of the fluid 200. The pressure sensor 50 is more particularly adapted to measure the pressure of the fluid 200 in the measuring cell 20, that is to say in the fluid conduit. The sections of the conveying conduits 302, 303 and of the casing 25 being chosen to avoid pressure changes, the pressure of the fluid 200 can in practice be measured in the conveying conduits 302, 303 or in the fluid conduit. The pressure sensor 50 can therefore be placed at these locations.
Toutefois, le capteur de pression 50 est de préférence placé dans la cellule de mesure 20, c’est-à-dire à l’intérieur du conduit fluidique. Il est par exemple agencé contre l’enveloppe 25, et plus spécifiquement contre la face de l’enveloppe 25 qui est au contact du fluide 200, tel que représenté en
De manière encore plus préférentielle, le capteur de pression 50 est situé à moins de 10 cm d’un des hublots 23, 24. Even more preferably, the pressure sensor 50 is located less than 10 cm from one of the portholes 23, 24.
Le capteur de pression 50 est de préférence un capteur de pression connecté, ce qui simplifie sa connexion avec l’unité de calcul 60. En variante, le capteur de pression peut être une jauge de pression.The pressure sensor 50 is preferably a connected pressure sensor, which simplifies its connection with the computing unit 60. Alternatively, the pressure sensor may be a pressure gauge.
Le capteur de pression 50 est adapté à mesurer des pressions comprises entre 0 et 6 bars. De préférence, le capteur de pression 50 est adapté à mesurer la pression du fluide 200 à une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz.The pressure sensor 50 is suitable for measuring pressures between 0 and 6 bars. Preferably, the pressure sensor 50 is adapted to measure the pressure of the fluid 200 at a frequency between 0.1 Hz and 10 Hz.
L’unité de calcul 60 comprend au moins une mémoire et au moins un processeur. L’unité de calcul 60 comprend aussi des interfaces permettant à l’unité de calcul 60 de recevoir des informations du spectromètre 45 et du capteur de pression 50. Ici, l’unité de calcul 60 agit comme boîtier de synchronisation et déclencher des acquisitions de données du spectromètre 45 et du capteur de pression 50, ce qui signifie que l’unité de calcul 60 commande les acquisitions de données.The computing unit 60 comprises at least one memory and at least one processor. The computing unit 60 also comprises interfaces allowing the computing unit 60 to receive information from the spectrometer 45 and the pressure sensor 50. Here, the computing unit 60 acts as a synchronization box and triggers data acquisitions from the spectrometer 45 and the pressure sensor 50, which means that the computing unit 60 controls the data acquisitions.
La mémoire de l’unité de calcul 60 est un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par le processeur permettent de déterminer la concentration d’au moins un composant chimique du fluide 200 sur la base de données fournies par le spectromètre 45 et le capteur de pression 50.The memory of the computing unit 60 is a computer-readable recording medium comprising instructions which, when executed by the processor, make it possible to determine the concentration of at least one chemical component of the fluid 200 on the basis of data provided by the spectrometer 45 and the pressure sensor 50.
Le système de mesure 100 permet de mettre en œuvre un procédé de mesure de la concentration d’au moins un composant chimique du fluide 200. Ce procédé est décrit en référence aux figures 3 à 5. Sur ces figures, le fluide 200 comprend à titre d’exemple deux composants, à savoir du diazote et du dihydrogène. A des fins illustratives, les concentrations sont prédéterminées : la concentration de diazote est de 20% et la concentration de dihydrogène est de 80%. On va ici vérifier que la méthode permet bien de retrouver par la mesure ces concentrations prédéterminées. De même, sur ces figures, les variations de pression du fluide 200 sont contrôlées.The measuring system 100 makes it possible to implement a method for measuring the concentration of at least one chemical component of the fluid 200. This method is described with reference to Figures 3 to 5. In these figures, the fluid 200 comprises, for example, two components, namely nitrogen and hydrogen. For illustrative purposes, the concentrations are predetermined: the nitrogen concentration is 20% and the hydrogen concentration is 80%. Here, we will verify that the method makes it possible to find these predetermined concentrations by measurement. Similarly, in these figures, the pressure variations of the fluid 200 are monitored.
De préférence, les étapes du procédé sont répétées pour permettre un suivi des concentrations en temps réel, c’est-à-dire en continu. Toutefois, il est possible d’implémenter une seul fois ces étapes pour obtenir une seule mesure à un instant donné.Preferably, the steps of the method are repeated to allow monitoring of concentrations in real time, i.e. continuously. However, it is possible to implement these steps only once to obtain a single measurement at a given time.
Comme le montre la
Le procédé se poursuit par une deuxième étape E2 comprenant la diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation 11 à travers le fluide 200 de sorte à former un premier faisceau lumineux 12.The method continues with a second step E2 comprising the diffusion and/or transmission of the excitation light beam 11 through the fluid 200 so as to form a first light beam 12.
Comme visible sur la
Le procédé comprend ensuite une troisième étape E3 dans lequel le dispositif optique 30 réfléchit le premier faisceau lumineux 12 en un faisceau lumineux réfléchi 13 en direction du second hublot 24, et donc en direction du fluide 200. Le dispositif optique 30 est positionné afin de recevoir le premier faisceau lumineux 12. Le dispositif optique 30 réfléchissant est positionné en dehors de la cellule de mesure 20. Cet arrangement évite toute interaction entre le fluide 200 et un revêtement réfléchissant, par exemple métallique, du dispositif optique 30, ce qui permet d’éviter de polluer le fluide 200. Le dispositif optique 30 est configuré pour focaliser le faisceau lumineux réfléchi 13 dans la cellule de mesure 20 entre les deux hublots 23, 24, par exemple au milieu des deux hublots 23, 24.The method then comprises a third step E3 in which the optical device 30 reflects the first light beam 12 into a reflected light beam 13 in the direction of the second porthole 24, and therefore in the direction of the fluid 200. The optical device 30 is positioned to receive the first light beam 12. The reflective optical device 30 is positioned outside the measuring cell 20. This arrangement avoids any interaction between the fluid 200 and a reflective coating, for example metallic, of the optical device 30, which makes it possible to avoid polluting the fluid 200. The optical device 30 is configured to focus the reflected light beam 13 in the measuring cell 20 between the two portholes 23, 24, for example in the middle of the two portholes 23, 24.
Le procédé comprend alors une quatrième étape E4 comprenant la diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi 13 à travers le fluide 200 de sorte à former un deuxième faisceau lumineux 14.The method then comprises a fourth step E4 comprising the diffusion and/or transmission of the reflected light beam 13 through the fluid 200 so as to form a second light beam 14.
Comme visible sur la
Le procédé comprend ensuite une cinquième étape E5 de génération, par le spectromètre 45, d’au moins une mesure de spectrométrie sur la base du deuxième faisceau lumineux 14. Le spectromètre 45 génère ici une mesure de spectrométrie par composant chimique, c’est-à-dire ici une pour le diazote et une pour le dihydrogène.The method then comprises a fifth step E5 of generation, by the spectrometer 45, of at least one spectrometry measurement on the basis of the second light beam 14. The spectrometer 45 here generates one spectrometry measurement per chemical component, i.e. here one for nitrogen and one for hydrogen.
Lorsque la cinquième étape E5 est répétée dans le temps (par exemple à chaque seconde), l’ensemble des mesures de spectrométrie associées à chaque composant chimique forme un signal de spectrométrie associé à ce composant chimique. Chaque signal comprend donc plusieurs mesures. Les mesures sont par exemple générées à une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 1 Hz.When the fifth step E5 is repeated over time (for example every second), all the spectrometry measurements associated with each chemical component form a spectrometry signal associated with this chemical component. Each signal therefore comprises several measurements. The measurements are, for example, generated at a frequency between 0.1 Hz and 1 Hz.
Dans l’exemple de la
Afin de réaliser ces mesures, le spectromètre 45 est configuré pour recevoir le deuxième faisceau lumineux 14, qui comprend ici des signaux Raman émis par le fluide 200. Le spectromètre 45 est plus particulièrement adapté pour détecter, dans le deuxième faisceau lumineux 14, un signal Raman émis par le fluide 200. Le signal Raman est émis notamment grâce à l’excitation du fluide 200 par le faisceau lumineux d’excitation 11 et par le faisceau lumineux réfléchi 13. Classiquement, le spectromètre 45 comprend un réseau de diffraction et un capteur de lumière. Il comprend aussi un système de traitement permettant de lire le capteur de lumière et d’en déduire les mesures de spectrométrie.In order to carry out these measurements, the spectrometer 45 is configured to receive the second light beam 14, which here comprises Raman signals emitted by the fluid 200. The spectrometer 45 is more particularly adapted to detect, in the second light beam 14, a Raman signal emitted by the fluid 200. The Raman signal is emitted in particular thanks to the excitation of the fluid 200 by the excitation light beam 11 and by the reflected light beam 13. Conventionally, the spectrometer 45 comprises a diffraction grating and a light sensor. It also comprises a processing system for reading the light sensor and deducing the spectrometry measurements therefrom.
Les mesures de spectrométrie peuvent être déduites d’un spectre obtenu en sommant une partie des pixels d’une même colonne du capteur de lumière. La
De façon conventionnelle, pour chaque composant chimique, la mesure de spectrométrie peut correspondre à la hauteur du pic associé (par exemple le maximum du pic), ou à l’aire de ce pic, c’est-à-dire la surface de ce pic qui est par exemple calculée pour un intervalle de décalage prédéterminé.Conventionally, for each chemical component, the spectrometry measurement can correspond to the height of the associated peak (for example the peak maximum), or to the area of this peak, i.e. the surface of this peak which is for example calculated for a predetermined shift interval.
Chaque mesure de spectrométrie dépend de la concentration de l’élément chimique dans le fluide 200, de la pression du fluide 200 et de la puissance du faisceau d’excitation 11 (cette dernière étant connue). Ici, chaque mesure de spectrométrie dépend de façon globalement linéaire de la pression du fluide 200.Each spectrometry measurement depends on the concentration of the chemical element in the fluid 200, the pressure of the fluid 200 and the power of the excitation beam 11 (the latter being known). Here, each spectrometry measurement depends in a globally linear manner on the pressure of the fluid 200.
Ainsi, comme le montre la
Afin de prendre en compte des variations de pression, le procédé comprend une sixième étape E6 de mesure de la pression du fluide 200 au moyen du capteur de pression 50. Comme le montre la
La mesure de pression est de préférence réalisée de façon synchrone avec la mesure de spectrométrie de chaque composant chimique. Aussi, lorsque les mesures de spectrométrie sont générées toutes les secondes, la pression est de préférence également mesurée toutes les secondes. De façon générale, la pression est par exemple mesurée à une fréquence comprise entre 0,1 Hz et 10 Hz.The pressure measurement is preferably performed synchronously with the spectrometry measurement of each chemical component. Also, when the spectrometry measurements are generated every second, the pressure is preferably also measured every second. Typically, the pressure is, for example, measured at a frequency between 0.1 Hz and 10 Hz.
Chaque mesure de pression effectuée par le capteur de pression 50 fournit à l’unité de calcul 60 une valeur de pression.Each pressure measurement made by the pressure sensor 50 provides the calculation unit 60 with a pressure value.
L’unité de calcul 60 est alors programmée pour calculer, au cours d’une septième étape E7 du procédé, une concentration de chaque composant chimique. Elle calcule plus particulièrement une concentration pour chaque mesure de spectrométrie.The calculation unit 60 is then programmed to calculate, during a seventh step E7 of the method, a concentration of each chemical component. More specifically, it calculates a concentration for each spectrometry measurement.
On décrit ici en détail le calcul de la concentration seulement pour une mesure de spectrométrie, et donc seulement pour un composant chimique, appelé le composant chimique.Here we describe in detail the calculation of the concentration only for one spectrometry measurement, and therefore only for one chemical component, called the chemical component.
L’unité de calcul 60 associe tout d’abord la mesure de spectrométrie à une valeur de pression, plus spécifiquement la valeur de pression correspondant au moment où la mesure de spectrométrie est générée. La mesure de spectrométrie et la mesure de pression qui y est associée sont donc concomitantes, et de préférence simultanées. Ici, cela signifie par exemple que la mesure de pression et la mesure de spectrométrie sont séparées de moins de 10 secondes et de préférence de moins 5 secondes et de manière encore plus préférentielle de moins de 1 seconde.The computing unit 60 first associates the spectrometry measurement with a pressure value, more specifically the pressure value corresponding to the time when the spectrometry measurement is generated. The spectrometry measurement and the pressure measurement associated with it are therefore concomitant, and preferably simultaneous. Here, this means, for example, that the pressure measurement and the spectrometry measurement are separated by less than 10 seconds and preferably by less than 5 seconds and even more preferably by less than 1 second.
La septième étape E7 comprend ensuite la conversion de la mesure de spectrométrie en concentration initiale du composant chimique au moyen d’une fonction de calibration.The seventh step E7 then includes the conversion of the spectrometry measurement into the initial concentration of the chemical component by means of a calibration function.
La fonction de calibration est ici préenregistrée sur la mémoire de l’unité de calcul 60. La fonction de calibration est représentative d’une relation affine entre la mesure de spectrométrie et la concentration du composant chimique. Elle est par exemple déterminée grâce à la mesure d’un fluide étalon comprenant une concentration connue du composant chimique. La fonction de calibration est établie pour une pression de référence, prédéterminée et contrôlée, du fluide étalon. La fonction de calibration est par exemple établie pour une pression de référence comprise entre 1 et 2 bars. A titre d’exemple, elle est ici établie pour une pression de référence de 1,5 bars. The calibration function is here pre-recorded in the memory of the calculation unit 60. The calibration function is representative of an affine relationship between the spectrometry measurement and the concentration of the chemical component. It is for example determined by measuring a standard fluid comprising a known concentration of the chemical component. The calibration function is established for a predetermined and controlled reference pressure of the standard fluid. The calibration function is for example established for a reference pressure of between 1 and 2 bars. For example, it is established here for a reference pressure of 1.5 bars.
La fonction de calibration est spécifique au composant chimique. En pratique, l’unité de calcul 60 a donc en mémoire une fonction de calibration par composant chimique.The calibration function is specific to the chemical component. In practice, the computing unit 60 therefore has in memory a calibration function per chemical component.
La concentration initiale du composant chimique est pour le moment dépendance de la pression du fluide 200.The initial concentration of the chemical component is currently dependent on the fluid pressure 200.
La septième étape E7 comprend ensuite le calcul d’une concentration intermédiaire du composant chimique en multipliant la concentration initiale du composant chimique par la pression de référence, c’est-à-dire la pression à laquelle a été établie la fonction de calibration. La concentration initiale est donc par exemple multipliée par un facteur 1,5 correspondant à la pression de référence évoquée en exemple ci-dessus. Lorsque la calibration a été faite à une pression de référence de 1 bar, ce calcul est facultatif puisqu’il revient à multiplier la concentration initiale par 1. The seventh step E7 then includes the calculation of an intermediate concentration of the chemical component by multiplying the initial concentration of the chemical component by the reference pressure, i.e. the pressure at which the calibration function was established. The initial concentration is therefore, for example, multiplied by a factor of 1.5 corresponding to the reference pressure mentioned in the example above. When the calibration has been carried out at a reference pressure of 1 bar, this calculation is optional since it amounts to multiplying the initial concentration by 1.
La septième étape E7 comprend ensuite le calcul de concentration du composant chimique en divisant la concentration intermédiaire par la valeur de pression, fournie par le capteur de pression 50 à la sixième étape E6, qui est associée à la mesure de spectrométrie.The seventh step E7 then comprises the calculation of the concentration of the chemical component by dividing the intermediate concentration by the pressure value, provided by the pressure sensor 50 in the sixth step E6, which is associated with the spectrometry measurement.
La concentration est alors indépendante de la pression du fluide 200.The concentration is then independent of the pressure of the fluid 200.
Lorsque les mesures de spectrométrie sont répétées dans le temps, l’ensemble des concentrations peut être représentées sous forme graphique, et cela pour chaque composant chimique. La
Lorsque les mesures de spectrométrie sont répétées dans le temps, on peut noter qu’une même valeur de pression peut être associée à plusieurs mesures de spectrométrie successives, notamment lorsque la fréquence de génération des mesures de spectrométrie est supérieure à celle de mesure de la pression. Toutefois, comme évoqué précédemment, la fréquence de génération des mesures de spectrométrie est de préférence égale à celle de mesure de la pression.When spectrometry measurements are repeated over time, it can be noted that the same pressure value can be associated with several successive spectrometry measurements, in particular when the frequency of generation of the spectrometry measurements is higher than that of pressure measurement. However, as mentioned previously, the frequency of generation of the spectrometry measurements is preferably equal to that of pressure measurement.
Lorsque le composant chimique d’intérêt, c’est-à-dire dont on cherche à mesurer la concentration, est également présent dans l’air, il est prévu d’appliquer une correction supplémentaire. Typiquement, cette correction est appliquée pour le diazote. En effet, les différents faisceaux lumineux vont interagir avec ce composant présent dans l’air, qui lui n’est pas sensible aux variations de pression dans le conduit fluidique.When the chemical component of interest, i.e. the one whose concentration is to be measured, is also present in the air, an additional correction is applied. Typically, this correction is applied for nitrogen. Indeed, the different light beams will interact with this component present in the air, which is not sensitive to pressure variations in the fluid conduit.
Il est donc prévu d’acquérir une mesure de spectrométrie de référence généré par le spectromètre 45 lorsqu’un fluide en flux dépourvu de ce composant chimique, ici de diazote, s’écoule dans le conduit fluidique.It is therefore planned to acquire a reference spectrometry measurement generated by the spectrometer 45 when a flowing fluid devoid of this chemical component, here nitrogen, flows in the fluid conduit.
Préalablement à la conversion de la mesure de spectrométrie en concentration initiale, la mesure de spectrométrie est corrigée du signal de référence. En pratique, l’unité de calcul 60 effectue une différence entre la mesure de spectrométrie du diazote et la mesure de référence, ce qui permet de retrancher la contribution de l’air ambient. C’est ensuite cette différence qui est convertie en concentration initiale.Prior to converting the spectrometry measurement into an initial concentration, the spectrometry measurement is corrected for the reference signal. In practice, the calculation unit 60 calculates a difference between the nitrogen spectrometry measurement and the reference measurement, which allows the contribution of the ambient air to be subtracted. This difference is then converted into an initial concentration.
La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.The present invention is in no way limited to the embodiments described and shown, but those skilled in the art will be able to provide any variation in accordance with the invention.
Par exemple, les valeurs de pression peuvent bien entendu être exprimées d’en d’autres unités qu’en bars. Il est seulement nécessaire que les valeurs de pression soient exprimées dans les mêmes unités pour tous les calculs de la septième étape E7.For example, pressure values can of course be expressed in units other than bars. It is only necessary that the pressure values are expressed in the same units for all calculations in step seven E7.
Claims (10)
- une source de lumière (10) configurée pour émettre un faisceau lumineux d’excitation (11),
- une cellule de mesure (20) comprenant un conduit fluidique adapté à un écoulement du fluide en flux (200), la cellule de mesure (20) comprenant deux hublots (23, 24) étanches disposés latéralement sur le conduit fluidique et positionnés en regard l’un de l’autre sur un axe optique principal (OA) transverse au conduit fluidique, les hublots (23, 24) étant respectivement agencés pour recevoir le faisceau lumineux d’excitation (11) et transmettre un premier faisceau lumineux (12) formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation (11) à travers le fluide en flux (200),
- un dispositif optique (30) au moins partiellement réfléchissant positionné pour réfléchir le premier faisceau lumineux (12) et former un faisceau lumineux réfléchi (13) en direction du fluide en flux (200), les hublots (23, 24) étant respectivement agencés pour recevoir le faisceau lumineux réfléchi (13) et transmettre un deuxième faisceau lumineux (14) formé par diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi (13) à travers le fluide en flux (200),
- un spectromètre (45) Raman configuré pour recevoir le deuxième faisceau lumineux (14) et générer, sur la base du deuxième faisceau lumineux (14), une mesure de spectrométrie,
- un capteur de pression (50) adapté à mesurer une pression du fluide en flux (200),
- une unité de calcul (60) programmée pour déterminer la concentration du au moins un composant chimique sur la base de la mesure de spectrométrie et de la pression du fluide en flux (200).A system (100) for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid (200) for an electrochemical generator system (301), the measuring system (100) comprising:
- a light source (10) configured to emit an excitation light beam (11),
- a measuring cell (20) comprising a fluid conduit adapted to a flow of the fluid in flux (200), the measuring cell (20) comprising two sealed portholes (23, 24) arranged laterally on the fluid conduit and positioned opposite one another on a main optical axis (OA) transverse to the fluid conduit, the portholes (23, 24) being respectively arranged to receive the excitation light beam (11) and transmit a first light beam (12) formed by diffusion and/or transmission of the excitation light beam (11) through the fluid in flux (200),
- an optical device (30) at least partially reflecting positioned to reflect the first light beam (12) and form a reflected light beam (13) towards the flowing fluid (200), the portholes (23, 24) being respectively arranged to receive the reflected light beam (13) and transmit a second light beam (14) formed by diffusion and/or transmission of the reflected light beam (13) through the flowing fluid (200),
- a Raman spectrometer (45) configured to receive the second light beam (14) and generate, based on the second light beam (14), a spectrometry measurement,
- a pressure sensor (50) adapted to measure a pressure of the flowing fluid (200),
- a computing unit (60) programmed to determine the concentration of the at least one chemical component on the basis of the spectrometry measurement and the pressure of the flowing fluid (200).
- émission d’un faisceau lumineux d’excitation (11) ;
- diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux d’excitation (11) à travers le fluide en flux (200) de sorte à former un premier faisceau lumineux (12) ;
- réflexion du premier faisceau lumineux (12) en un faisceau lumineux réfléchi (13) en direction du fluide en flux (200) et diffusion et/ou transmission du faisceau lumineux réfléchi (13) à travers le fluide en flux (200) de sorte à former un deuxième faisceau lumineux (14) ;
- génération, par un spectromètre (45) Raman d’une mesure de spectrométrie sur la base du deuxième faisceau lumineux (14) ;
- mesure d’une pression du fluide en flux (200) ;
- calcul de la concentration du au moins un composant chimique sur la base de la mesure de spectrométrie et de la pression du fluide en flux (200).A method for measuring a concentration of at least one chemical component of a flowing fluid (200) comprising the following steps:
- emission of an excitation light beam (11);
- diffusion and/or transmission of the excitation light beam (11) through the flowing fluid (200) so as to form a first light beam (12);
- reflection of the first light beam (12) into a reflected light beam (13) in the direction of the flowing fluid (200) and diffusion and/or transmission of the reflected light beam (13) through the flowing fluid (200) so as to form a second light beam (14);
- generation, by a Raman spectrometer (45) of a spectrometry measurement on the basis of the second light beam (14);
- measurement of a pressure of the fluid in flow (200);
- calculating the concentration of the at least one chemical component based on the spectrometry measurement and the pressure of the flowing fluid (200).
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|---|---|---|---|
| FR2309770A FR3153153A1 (en) | 2023-09-15 | 2023-09-15 | System for measuring the concentration of at least one chemical component of a flowing fluid |
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