T'P' f

1
T.P. f

• Mesure de concentrations gazeuses

2
Pollution des véhicules

• Nécessité daméliorer la combustion
• Besoin de capteurs rapides adaptés au cycle du
  moteur (3000 tr/min ? 1 tour chaque 20 ms)

3
Mesures des émissions des moteurs

• Mesure classique des concentration de
• NOx
• CO et CO2
• hydrocarbures totaux (THC)
  F.I.D.
• taux de particules pour les Diesel
• F.I.D. classiques temps de réponse seconde
• Fast-FID (nouveaux F.I.D.) milliseconde

4
Détecteur à ionisation de flamme F.I.D.

• Introduction de léchantillon dans le
  combustible H2/O2/diluant
• Ionisation de ce prémélange dans la flamme
• Capture des cations A par lélectrode
• Création dun courant proportionnel à la quantité
  dhydrocarbure introduit (faible impact de H2)

5
Objectifs du TP

• Aborder les notions théoriques relatives au
  fonctionnement des F.I.D. classiques et rapides,
  afin de mieux jauger leurs performances
• Comparer le comportement de deux types de capteur
  avec la mesure simple de CH4 autour dun jet
  libre de méthane dilué dans lazote à 1000 ppm

6
Principe de fonctionnement du FID

• Utilisation depuis 1960
• Mise au point par Mc William et Dewar comme
  élément de chromatographe en phase gazeuse
• Emploi actuel pour les hydrocarbures
• Utilisation dune flamme dhydrogène sionisant
  peu
• Capture des cations A issus de léchantillon par
  une électrode
• portée à -150 V ou -200 V (U lt 0)
• située 1 cm au dessus du brûleur

7
Réactions dionisation

• Réactions de chimi-ionisations du type
• CH O ? CHO e-
• Production de 0.245 C / (g de C) Coulomb par
  gramme de Carbone introduit dans la flamme
•  Rendement de conversion  1 C ? 2.5 10-6
  paire  ion / électron 
• Changement possible de la nature de lion positif
  par transfert de proton
• CHO H2O ? H3O CO

8
Linéarité du courant produit

• Recombinaison des ions H3O avec un e-
• H3O e- ? 2H OH
• Si toutes les charges collectées par la cathode,
  courant I A crée par CnHm aliphatique
• I r ? CnHm ? Q
• Q débit volumique de léchantillon
• CnHm concentration
• r ? ? n facteur de réponse de CnHm
• ? 0.245 C / (g de C)

9
Linéarité courant I / quantité de CnHm
Propane déviation par rapport à théorie de 1.5
Corrélation de diverses familles chimiques
10
Causes de non linéarité

• Compétition entre capture des ions par les
  électrodes, et leur recombinaison en molécules
  stables
• Perte des charges hors du champs électrique, due
  à une vitesse du jet de léchantillon trop
  élevée
• Saturation causée par une densité de charge trop
  élevée, avec un échantillon trop concentré
• Multiplication des charges (croissance non
  linéaire) dans un champ électrique trop intense
• Nécessité de maîtriser les conditions et
  paramètres pour une mesure quantitative

11
Réponse en fonction du composé dosé (1)

• Rappel des diverses familles de molécules
  organiques

12
Différentes familles dhydrocarbures (1)

• N-paraffines Iso-paraffines
• Naphtènes (cyclo-paraffines)
• cycloalcanes ou cyclanes
• Oléfines ou alcènes

Alcanes ramifiés
Alcanes linéaires
13
Différentes familles dhydrocarbures (2)

• Aromatiques
• Composés oxygénés
• Carbonylés
• Alcools
• Ethers

benzène
14
Réponse en fonction du composé dosé (2)

• Carbonylés (aldéhydes, cétones, esters, CO et
  CO2) Insensibilité du F.I.D. au carbone lié à
  loxgène
• déjà une liaison CO or CH O ? CHO e- dégage
  lénergie nécessaire, et explique la formation
  des ions
• (n-1) carbones utiles pour le facteur de réponse
  r
• AlcoolsC lié à O répond avec 50 defficacité
  seulement
• deshydrogénation (-H) ? formation carbonyle
  insensible
• deshydratation (-OH) du carbonyle ? alcène et
  réponse

15
Réponse en fonction du composé dosé (3)
Réponse relative du FID pour les alcools
primaires, secondaires, tertiaires
Réponse relative du FID pour les ester,
aldéhydes, cétones et ethers
16
Sensibilité du F.I.D. à la teneur en oxygène

• Impact de la teneur en oxygène de léchantillon
  sur la mesure
• accroissement de la température de la flamme
• modification de la géométrie de la flamme
• accélération de loxydation des hydrocarbures
• Pour sen affranchir
• emploi dun combustible dilué dans lhélium
  40 H2 / 60 He
• calibration avec des gaz de même teneur en O2
  que léchantillon

17
Temps de réponse du F.I.D. (1)

• Dépendance du temps de réponse du F.I.D. avec
• le temps mis par léchantillon pour aller de la
  sonde de prélèvement de la flamme du F.I.D.
• la cinétique (vitesse) des réactions de
  fragmentation de la molécule en espèces
  réactives telles que CH et CH2
• la cinétique de chimi-ionisation des fragments
• le temps de transport des ions dans le champ
  électrique
• la largeur de bande de lamplificateur de
  charge(filtre passe-bas électronique)

18
Temps de réponse du F.I.D. (2)

• Dépendance forte de ces processus avec
• la concentration de léchantillon
• la pression
• la température de la flamme
• la vitesse des gaz dans la flamme
• la géométrie du champ électrique

19
Capteur Fast-F.I.D.

• Développement pour létude des fluctuations
  rapides ( ms) de concentrations
• Applications moteurs mesures dans les tubulures
  dadmission, déchappement, et de
  chambre de combustion
• Historique
• Premiers essais autour de 1980
• Production du premier F.F.I.D. en 1990

20
Spécificités

• Injection directe de léchantillon dans la flamme
  du F.I.D., pour minimiser
• le temps nécessaire au mélange
• les durées de transit
• Forte dépendance de la réponse du F.I.D. avec le
  débit volumique de léchantillon
• Besoin dun débit constant
• Importantes fluctuations de pression dans les
  moteurs
• ? Nécessité dadapter le système pour une mesure
  précise

21
Principe du système déchantillonnage
Installation dune chambre entre le tube de prise
déchantillon et le F.I.D., pour maintenir la
pression et le débit constant
Diamètres (mm) A 0.2 B 0.8 C 0.15 Volume
D ? 1 cm3
22
Principe du système déchantillonnage

• Chambre de grand volume ? capacité à pression Pc
• Tubes A, B et C ? résistance à lécoulement
• ?
• Pression Pc constante de la chambre
• débit constant dans le F.I.D.

23
Déviation par rapport à lidéalité

• Influence directe de la pression du milieu Pi
  (inlet) sur le débit massique de léchantillon
• Pour évaluer linfluence de ces variations de
  pression dentrée Pi, on suppose dans le tube A
• un flux isotherme à débit constant
• un débit massique constant

24
Influence de la pression dentrée (1)

• termes au dénominateur relatifs aux pertes de
  charge
• L et d longueur et diamètre du tube
• f fonc(Re) coefficient de perte de charge
• Nombre de Reynolds Re, fonction du débit massique
  
• flux isotherme à température Tviscosité ?
  constante ? Re et f constants le long du tube

25
Influence de la pression dentrée (2)
tp durée du pulse de pression

• 100 mbar différence de pression typique entre
  la chambre à Pc et le F.I.D.
• Variation de flux dans le F.I.D. ? 1 (précision
  recherchée)? ?Pc ? 100 mbar

Pi
Variation de Pi ? 2 bar ? Redimensionnement
- de la chambre à Pc - des capillaires
26
Délai et temps de réponse

• Principal intérêt du F.F.I.D. ? temps de
  réponse
• Différence entre délai et temps de réponse

27
Temps de transit (1)

• Durée nécessaire à léchantillon pour parcourir
  la distance entre la sonde de prélèvement et la
  flamme
• Signal électrique fournissant la concentration
  dun échantillon prélevé plus tôt
• Influence
• de la vitesse de lécoulement
• du débit massique

28
Temps de transit (2)
A aire de la section du tube U(x) vitesse
de lécoulement
P1 pression dentrée du tube P2 pression de
sortie

• Temps de transit ?t pour un tube de longueur L

U1 vitesse à lentrée du tube
29
Temps de transit (3)
Temps exprimé en degré vilebrequin CA pour
une vitesse de rotation de 900 tr/min (360CA ?
66,7 ms)
30
Diffusion de Taylor (1)

• Pendant le transit dans le tube
• ? des gradients de concentration longitudinaux de
  léchantillon
• moyennage (ou lissage) du signal électrique
• Apparition de la diffusion de Taylor dans le cas
  
• Dun profil de vitesse dans le tube non uniforme
• de petits diamètres tubes ? vitesse de diffusion
  radiale grande par rapport à
  différence de vitesse dans lécoulement
• Phénomène
• équivalent à un filtre du premier ordre
• fonction du coefficient de diffusivité
  longitudinale K

31
Diffusion de Taylor (2)

• Pour un flux incompressible et stationnaire
• écoulement laminaire
• écoulement turbulent
• Pour calculer la concentration locale C
• x1 coordonnée se déplaçant à la vitesse moyenne
  de lécoulement

32
Diffusion de Taylor (3)

• En supposant
• un milieu compressible (variation de la densité
  du gaz)
• un écoulement laminaire
• Sc nombre de Schmidt
• Sc ? / D, avec D coefficient de diffusion
  moléculaire
• Sc 0,7 pour les mélanges gazeux avec de lair,
  à T ambiante

33
Diffusion de Taylor (3)

• En supposant
• milieu compressible
• écoulement turbulent
• Dépendance de ?c
• faible avec le nombre de Reynolds Re
• peu sensible au diamètre des tubes
• linéaire avec la longueur des tubes ?c /L ? 10
  ?s/cm
• Minimisation de la longueur des tubes
• Placement de la tête de mesure du F.F.I.D. près
  de la sonde de prélèvement (reste du système dans
  une unité centrale)

34
Problèmes de condensation

• Risques de condensation dans le système
  déchantillonnage
• vapeur deau (analyse des gaz déchappement)
• hydrocarbures liquides faiblement volatiles
  (mesure des réactifs à ladmission ou
  dans le cylindre)
• Problèmes engendrés
• dégradation du signal
• risque dextinction de la flamme du F.I.D.
• Solution chauffage
• des capillaires déchantillonnage à 200C
• du F.I.D. à 150C.

35
Calibration (1)

• Nécessité de calibrer les capteurs avant les
  mesures
• établissement du zéro (avec N2 dans notre cas)
• vérification de la pente, ou dune valeur typique
  du haut de léchelle de mesure (ici 1000 ppm)
• Mesures sur moteur ? besoin de recalibrer
  pendant une série de mesures ? emploi
  dun système dédié in-situ

36
Calibration (2)

• Signal typique du F.F.I.D.
• utilisation dans le cylindre
• calibration pendant la phase dadmission

37
Description du stand de mesure
38
Description dun jet turbulent (1)

• Cas dun jet de gaz dans un grand volume dair au
  repos
• Sortie du gaz de la buse avec une vitesse
  uniforme U0
• Mélange rapide du jet avec lair ambiant?
  création de la turbulence? élargissement du jet,
  par entrainement de lair
• Deux zones caractéristiques du jet
• près de la buse dinjection le cur du jet
  (régime transitoire)
• loin de la buse le jet totalement développé
  (régime permanent)

39
Description dun jet turbulent (2)

• La zone du cur
• garde une vitesse moyenne U0
• a une forme triangulaire
• est entourée dune zone de mélange
• subit la pénétration de la turbulence à
  lintérieur du jet vers laxe central
• Dans la zone totalement développée
• la turbulence a atteint laxe du jet
• la zone de cur a disparu
• Le régime transitoire se stabilisepour une
  longueur de zone de cur de 12?b0 (jet plan ou
  axisymétrique)

40
Description dun jet turbulent (3)

• Dans la zone de jet totalement développé
• ? de la vitesse moyenne U selon laxe
  longitudinal x, avec la position radiale y, par
  rapport à une valeur maximale Um sur laxe
• maintien de la distribution des vitesses, portée
  en fonction de y/b (b valeur de y associé à U
  0,5 ? Um) tant que x ? 40.2 ? b0

41
Travail demandé mesures

• Calibrations automatiques puis manuelles
• Mesure en régime stationnaire avec les deux types
  de F.I.D., dabord en un point
• Etablissement des profils radiaux de
  concentration pour deux hauteurs différentes avec
  les capteurs
• Mesure en transitoire au point maximum de
  concentration du jet

42
Travail demandé exploitation des résultats

• Comparer les modes de calibration manuelle et
  automatique
• Mesures stationnaires en un point
• Donner les valeurs moyennes et les écart-types
• Observer les fluctuations de concentrations et
  calculer les fréquences
• Comparer les deux signaux
• Profils de CH4
• Décrire la géométrie du jet
• Indiquer les différentes zones
• Mesures en transitoire
• Donner le temps de réponse des deux détecteurs,
  et commenter
• Donner le délai de réponse du F.I.D. classique
  par rapport au Fast-F.I.D.
• Indiquer si la position de la prise déchantillon
  influence ces valeurs
• Conclure sur les différences entre les capteurs
  et leurs applications potentielles
• Décrire les améliorations possibles et les
  meilleures conditions de mesures

43
Conseils pour la rédaction des rapports

• Taille environ 10 à 15 pages avec toutes les
  figures demandées
• Plan
• Inutile de rédiger un sommaire pour ce petit
  rapport
• Introduire, en rappelant lobjectif du TP et le
  principe de la mesure utilisée
• Répondre à toutes les questions figurant dans le
  polycopié
• Conclure
• Rédaction et orthographe
• Rédiger le texte en français correct et lisible
  (correcteurs orthographiques et les
  connaissances des collègues francophones)
• Commenter chaque figure, y porter une légende et
  une échelle lisible
• Expliciter les calculs
• Interpréter les résultats

44
Description du TP

• Mise en route de linstallation
• (F.I.D. classique déjà allumé, 20 min de
  chauffage)
• Calibrer les détecteurs
• Réaliser un profil radial de concentration avec
  les deux détecteurs (F.I.D. et F.F.I.D.) en
  régime stationnaire
• Effectuer une mesure en transitoire avec les deux
  détecteurs à la fois, à lendroit où CH4 est
  maximum

45
Mise en route du HFR-500

• Allumer la pompe à vide
• Ouvrir les bouteilles de gaz
• Mettre en marche lunité centrale du F.F.I.D.
• Allumer le PC de commande
• Cliquer sur lalias HFR-500 pour commander le
  FFID

46
Commande du HFR-500 (1)
Mettre en pause des têtes de mesure pendant le
chauffage (10 min) Une fois les températures de
fonctionnement atteintes, allumer le F.I.D., en
sélectionnant "lightning" au lieu de "standby"
47
Commande du HFR-500 (2)

• En appuyant sur "head info" , puis en
  sélectionnant Channel 1, lire les valeurs des
  paramètres employés
• la température de la tête
• la température de la ligne entre la prise de
  léchantillon et lentrée du FID

48
Commande du HFR-500 (3)
En pause, purger le détecteur avec du gaz
neutre Vérifier la gamme 2000 ppm Lancer la
calibration automatique avec autocalibrate-
zéro avec lazote- référence  haute, avec le
mélange étalon CH4 / air à 1000 ppm Lancer les
mesures avec sample
49
Acquisition des données en stationnaire (1)
Cliquer sur le raccourci pour VI
Labview Indiquer léchelle de mesure à utiliser
(2000 ppm pour le F.F.I.D.)
Vous indique le nombre de scan /s
Vous donne la moyenne du signal
50
Acquisition des données en stationnaire (2)
Enregistrer les données (2000 points) en activant
le bouton "Save scan" sur  "on" Rentrer le nom
de fichier dans le répertoire My
documents\Etudiants\groupe X Traiter le fichier
de données avec Excel (colonne des temps en ms)
Vous indique le nombre de scan /s
Vous donne la moyenne du signal
51
Acquisition des données en stationnaire (3)
Même principe avec 2 voies
52
Acquisition des données en transitoire (1)
Vérifier le "range" du F.F.I.D. Appuyer sur le
bouton attente Une fois le bouton rouge, ouvrir
la vanne du jet Attendre le signal pour refermer
la vanne Sauvegarder les données Save Scan sur On
Mettre des commentaires pour repérer votre mesure
53
Acquisition des données en transitoire (2)
Même principe avec 2 voies
54
Arrêt des détecteurs FFID
Mettre les deux têtes de mesure sur OFF Fermer
la fenêtre de commande du HFR-500 Éteindre
lunité centrale du FFID?PC Fermer les
bouteilles Éteindre la pompe à vide