La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

La surveillance d’un réseau de distribution de gaz par des mesures de pression en continue

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Oil & Gas

Les enregistreurs de données autonomes de la société AIRVALVE utilisent des capteurs de pression STS pour surveiller les points critiques du réseau de distribution de gaz appartenant à la société SWK Netze GmbH. Ce procédé garantit une excellente fiabilité de planification pour un coût de mise en œuvre relativement faible.

SWK Netze GmbH effectue des mesures approfondies sur son réseau de distribution de gaz pour étalonner son programme de gazoduc. À cette fin, des mesures de pression continues doivent être effectuées en quinze points critiques pour répondre à leur projet de « surveillance du réseau de distribution de gaz ». Outre leurs attentes élevées concernant la précision des valeurs mesurées, il était crucial que les instruments de mesure puissent fonctionner de manière fiable sur une longue période de temps et qu’ils disposent d’une force de signal suffisante pour transmettre les mesures à intervalles réguliers, même en étant positionnés sous terre. Pour réduire au minimum les travaux d’installation souterraine et de tuyauterie, les pressions devaient être mesurées aux raccords de ventilation déjà existants et le matériel de mesure devait être installé dans des bouches d’accès de taille 3.

Pour mettre en œuvre ce projet, le choix s’est porté sur les enregistreurs de données LS-42 de AIRVALVE. Lors d’essais précédents, ces enregistreurs de données sont apparus comme les seuls à disposer d’une antenne intégrée hautes performances, permettant une transmission stable du signal même dans des installations souterraines.

La stabilité à long terme et la facilité d’utilisation sont des facteurs clés

Grâce à leur batterie hautes performances interchangeable, ces enregistreurs de données fonctionnent sans aucune connexion électrique ou téléphonique sur une durée de plus de 10 ans. Ces instruments de mesure faciles à monter et configurables à distance assurent une transmission sécurisée des mesures par l’usage de cartes SIM librement sélectionnables ou d’une communication multi-réseaux avec tunnel VPN privé (voir l’illustration 1 pour les détails de conception de ces instruments de mesure). Ces enregistreurs de données sont donc parfaitement adaptés aux installations difficiles d’accès qui doivent être surveillées sur de longues périodes sans nécessiter de maintenance fréquente

Illustration 1: Conception de l’enregistreur de données
Source: AIRVALVE

Bien entendu, ces exigences en termes de durabilité et de performances opérationnelles ont également été appliquées aux capteurs utilisés pour les mesures de pression. AIRVALVE a choisi les capteurs de pression ATM.ECO/N de STS. Ces capteurs de 100 mbar sont alimentés par la batterie interchangeable de l’enregistreur de données. Ils disposent d’un robuste boîtier en acier inoxydable et fournissent des résultats précis (≤ ± 0,70 %) sur une plage de température comprise entre -5 et 50° C. En termes de stabilité à long terme, le capteur ATM.ECO/N se situe à < 0,5 %.

Assemblage du système de mesure sur le réseau de distribution de gaz

L’ensemble du système de mesure permettant de surveiller le réseau de distribution de gaz est logé dans des bouches d’accès (voir l’illustration 2). En utilisant des raccords de ventilation déjà existants, les travaux nécessaires ont pu être effectués sans dépenses majeures. Pour effectuer les mesures de pression, le bouchon de la colonne de ventilation a été remplacé par un raccord de réduction (1). Le raccord de mesure peut être fermé à l’aide d’une vanne sphérique en acier inoxydable (2). L’étalonnage du capteur de pression est facilité par un couplage Minimess (3). Le capteur de pression (4) est raccordé via un boîtier de jonction d’égalisation de pression (5) à l’enregistreur de données AIRVALVE (6). Le tout est ensuite fixé à une ancre au sol (7) par une fermeture à verrouillage rapide.

Illustration 2: Vue d’ensemble du système de mesure
Source: AIRVALVE

Les mesures sont effectuées toutes les 5 minutes. Cet intervalle de mesure est ajustable de 1 à 60 minutes. Les valeurs mesurées sont transmises plusieurs fois par jour au centre de contrôle. Les lectures peuvent être transmises via des cartes multi-réseaux sécurisées par VPN ou via des cartes SIM standard, et les communications transites via des centres de contrôle Internet ou des systèmes SCADA. Pour cette application, SWK Netze GmbH a opté pour les serveurs hautement sécurisés du centre de contrôle Internet « Web-LS » pour gérer leurs données.

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La précision des mesures de pression joue un rôle essentiel dans les débuts des piles à combustible automobiles

La précision des mesures de pression joue un rôle essentiel dans les débuts des piles à combustible automobiles

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automotive

Bien que les véhicules électriques et les véhicules hybrides reposent sur des technologies en pleine maturation, il reste encore beaucoup à faire pour stocker l’énergie électrique de manière sûre, pratique et rentable. La plupart des constructeurs du monde entier étudient des moyens d’utiliser l’hydrogène comme solution alternative aux batteries de stockage coûteuses, pour générer l’électricité nécessaire au fonctionnement des moteurs à traction électrique.

Les piles à combustible à membrane d’échange de protons, également connues sous le nom de piles à combustible à membrane électrolyte polymère (ou PEMFC), équipent déjà des séries limitées de véhicules de tourisme tels que la Toyota Mirai.

Les piles à combustible sont constituées d’un assemblage membrane-électrode (MEA) intercalé entre des séparateurs. Un MEA est une membrane d’électrolyte polymère rigide à laquelle sont appliquées des couches de catalyseur.

Ces cellules génèrent de l’électricité par une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène : l’hydrogène et l’air ambiant sont dirigés vers l’anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive) des piles à combustible pour générer de l’électricité.

Étant donné qu’une cellule produit moins d’un volt, plusieurs centaines de cellules sont connectées en série pour augmenter la tension. Ce corps de cellules combiné est appelé un empilement de piles à combustible.

Bien que les petites piles à combustible à membrane électrolyte polymère fonctionnent à une pression atmosphérique standard, les piles à combustible plus grandes (de 10 kW ou plus) fonctionnent généralement à des pressions plus élevées. Les avantages et les inconvénients d’opérer à des pressions plus élevées sont complexes et ne sont pas clairement définis, car de nombreux points de vue convaincants sont présents des deux côtés.

Suralimenter les piles à combustible à hydrogène

Comme avec les moteurs à combustion interne conventionnels, le but d’augmenter la pression dans une pile à combustible est d’augmenter la puissance, ceci en extrayant plus de puissance de la même taille de pile. Idéalement, le coût, la taille et le poids supplémentaires de l’équipement de compression sont inférieurs au coût, à la taille et au poids d’un plus grand empilement de piles à combustible.

Dans le cas des moteurs à combustion, les avantages l’emportent nettement sur les inconvénients. Mais avec les piles à combustible, l’équilibre avantages/désavantages est beaucoup plus restreint. Cela tient avant tout au fait que les gaz de sortie des PEMFC contiennent peu d’énergie. Le compresseur doit ainsi être alimenté en grande partie ou intégralement à l’aide de la précieuse énergie électrique produite par la pile à combustible.

Illustration 1: Schéma d’un système de pile à combustible
source de l’image: James Larminie, Andrew Dicks «Fuel Cell Systems Explained»

Le type le plus simple de pile à combustible à membrane électrolyte polymère sous pression est celui dans lequel l’hydrogène gazeux provient d’un cylindre à haute pression. Dans cette conception, seul l’air doit être comprimé: l’hydrogène est alimenté par un réservoir sous pression, ce qui signifie que la compression est indépendante. Cette méthode d’alimentation en hydrogène ne nécessite aucune ventilation ou circulation de gaz ; l’hydrogène est entièrement consommé par la cellule.

Cependant, le compresseur d’air doit être entraîné par un moteur électrique, qui consomme naturellement une partie de l’électricité précieuse générée par la pile à combustible. En règle générale, la consommation d’énergie représente environ 20 % de la puissance d’un système de 100 kW. Comme dans les moteurs à combustion, l’air comprimé doit également être refroidi avant de pénétrer dans la cellule pour obtenir une efficacité optimale.

Équilibrer la pression pour optimiser les performances

Étant donné qu’il s’agit d’une technologie récente et en pleine évolution, la fiabilité et la durabilité de ces piles à combustible « suralimentées » doivent être testées et développées avant une adoption à grande échelle. Par conséquent, des travaux de recherche et de développement considérables sont en cours pour améliorer les performances et la durée de vie de ces piles à combustible.

Les tests effectués dans des conditions contrôlées constituent une étape importante vers la viabilité et l’adoption des piles à combustible. Il est essentiel de disposer de données de mesure détaillées pour créer des modèles de fonctionnement des piles à combustible. Cependant, malgré un intérêt généralisé, les techniques de mesure appropriées sont encore en cours de développement.

Généralement, les piles à combustible à membrane électrolyte polymère (PEMFC) fonctionnent à des pressions comprises entre la pression ambiante et une pression d’environ 3 bars, et à des températures comprises entre 50 et 90° C. Une densité de puissance élevée est obtenue à des pressions de fonctionnement plus élevées, mais l’efficacité du système peut être inférieure en raison de la puissance nécessaire pour comprimer l’air. Des températures d’air plus élevées augmentent également la densité de puissance, mais peuvent constituer un défi important pour la gestion de l’eau et de la chaleur, en particulier à des pressions de fonctionnement plus basses.

Par conséquent, le choix des températures et des pressions de fonctionnement des systèmes PEMFC automobiles doit être fondé sur : (a) Le rendement net du système; (b) La petite taille des composants ; et (c) Un bilan hydrique neutre ou positif, de sorte que le véhicule ne nécessite pas un réservoir à bord.

L’augmentation de la puissance de fonctionnement d’un système PEMFC à pression élevée résulte principalement d’une réduction de la surtension d’activation de la cathode, car la pression accrue augmente la densité de courant d’échange, ce qui a pour effet de relever la tension de circuit ouvert (uCO), comme décrit dans l’équation de Nernst.

Mais comme mentionné précédemment, cette suralimentation se fait au détriment de la puissance produite par la pile à combustible sous pression, d’où l’importance d’équilibrer la pression aux exigences spécifiques de la pile à combustible. Comme avec les moteurs à combustion, la suralimentation ne peut être effectuée qu’en prenant des mesures de pression précises, à l’aide de capteurs de pression de haute qualité minutieusement calibrés pour cette application.

Ces mesures de pression, enregistrées avec des capteurs professionnels fournis par STS, sont ensuite comparées au rendement de la pile à combustible pour minimiser les pertes parasites tout en optimisant les gains de rendement électrique.

Au fur et à mesure que la technologie des piles à combustible arrive à maturité et que les données collectées lors d’essais en condition réelles permettent de produire des modèles prédictifs, les ingénieurs et les chercheurs du secteur automobile bénéficient d’une meilleure compréhension des relations complexes entre la température, la pression et le rendement des piles à combustible. Il ne fait aucun doute que ces recherches reposent principalement sur l’usage de capteurs de haute qualité, capables de fournir des données extrêmement précises.

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Le turbocompresseur succombe aux pressions de la conservation d’énergie

Le turbocompresseur succombe aux pressions de la conservation d’énergie

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automotive

Pendant de nombreuses années, les turbocompresseurs n’étaient disponibles que sur les voitures de sport les plus chères et les moteurs diesel, mais les réglementations en matière d’émissions polluantes ont modifié la perception de l’induction forcée. Bien que l’amélioration des performances soit toujours au cœur des préoccupations de développement, les constructeurs cherchent désormais à compenser les performances et la manœuvrabilité des moteurs à essence à taille réduite. De nos jours, la majeure partie des moteurs à essence sont équipés d’une toute nouvelle technologie turbo : de la petite Ford Ecoboost de 999 cm3 à la dernière Ferrari.

Mais avec l’avènement du nouveau E-Charger, cette nouvelle technologie de turbocompresseurs semble déjà sur le point de devenir obsolète. Audi équipe déjà l’E-Charger sur sa série SQ7, et équipera prochainement cette technologie sur ses futurs véhicules de série avec l’arrivée des véhicules électriques 48 volts.

Le principal avantage du compresseur à entraînement électrique est qu’il n’y a pas de pertes parasites (au même titre que les turbocompresseurs). Mais contrairement à la plupart des turbo, cette technologie ne souffre d’aucun décalage de turbo et ne nécessite pas de soupape de décharge. Ce puissant moteur électrique peut faire tourner la turbine jusqu’à 70 000 tours par minute en moins d’une seconde, ce qui élimine l’effet de décalage de turbo.

Cela améliore naturellement la maniabilité des véhicules et réduit la consommation et les émissions de 7 à 20 % lorsque ce dispositif est utilisé sur un véhicule équipé d’un freinage par récupération (captation de l’énergie cinétique de la voiture pour la transformer en électricité).

La pression est essentielle pour débloquer les performances du E-Charger

Contrôlé électroniquement, l’E-Charger peut-être cartographié pour optimiser les performances du moteur tout en maximisant l’énergie récupérée des gaz d’échappement. Mais pour réaliser cette utopie, les ingénieurs doivent créer une carte de l’accélération du moteur en mesurant les pressions d’admission à différentes charges et à différentes vitesses du moteur. Cela ne peut être réalisé qu’à l’aide de capteurs de pression de qualité professionnelle.

Comme avec les super/turbocompresseurs, il est important que l’unité soit adaptée aux exigences du moteur. Dans le cas contraire, cela peut entraîner une déficience du moteur ou une consommation inutile d’électricité.

Étant donné qu’il s’agit d’une technologie en pleine maturation, peu de données de recherche et de test sont disponibles pour les ingénieurs souhaitant explorer les limites des compresseurs E-Charger. Bien que la dynamique des fluides et l’ingénierie électrique puissent fournir de bonnes bases de développement, il est essentiel que les théories soient validées dans des conditions de test réelles.

Pour qualifier les performances de la configuration E-Charger choisie, le véhicule est équipé de capteurs de pression extrêmement précis, facilement calibrés et qui fournissent des lectures précises sur une large plage de pressions.

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Mettre la pression sur l’avènement du moteur sans arbre à cames

Mettre la pression sur l’avènement du moteur sans arbre à cames

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automotive

Sous l’impulsion des réglementations draconiennes appelant à réduire les émissions de gaz d’échappement et à améliorer la consommation de carburant, les constructeurs accordent des efforts conséquent à l’amélioration du processus de combustion: ils ont essayé d’ouvrir les soupapes d’admission plus tôt (appelé cycle de Miller), ils ont essayé de les fermer plus tard (communément appelé le cycle d’Atkinson), et ils ont même essayé de créer un moteur hybride à allumage commandé/compression (allumage par compression à charge homogène), le tout avec des résultats limités.

Certains constructeurs utilisent des systèmes comportant plusieurs lobes de cames, mais cela reste un compromis car seuls quelques profils peuvent être utilisés simultanément.

Remplacer les arbres à cames par des vérins pneumo-hydro-électroniques

Le moteur sans arbre à cames utilise un vérin pneumo-hydro-électronique pour remplacer le procédé traditionnel de contrôle du fonctionnement des soupapes d’un moteur à combustion interne. Il en résulte un contrôle beaucoup plus précis et entièrement personnalisable de la levée et du calage des soupapes (en admission et en échappement): la levée et le calage des soupapes peuvent être ajustés librement d’une soupape à une autre et d’un cycle à un autre. Ce vérin permet également de multiples calages par cycle, ou aucun calage par cycle (ce qui entraîne une coupure totale du cylindre).

Bien que ce système offre un contrôle complet des fonctions d’admission et d’échappement, ainsi qu’une masse réduite et plus compacte (un 4 cylindres en ligne: 20 kg, 50 mm de hauteur et 70 mm de longueur), il est crucial de contrôler précisément les pressions pneumatiques et hydrauliques pour obtenir un fonctionnement efficace.

Cartographier les pressions au cours du développement

Pour déterminer les pressions de fonctionnement requises au fonctionnement des soupapes à différents régimes et à différentes charges, il est essentiel que les pressions soient mesurées avec précision en temps réel.

Mais il ne s’agit pas d’une mince affaire: non seulement les capteurs de pression utilisés doivent être précis dans une large plage de températures de fonctionnement, mais ils doivent également être compacts et résistants aux vibrations, aux huiles chaudes et autres produits chimiques présents dans les compartiments moteur.

Étant donné qu’une petite poignée de fournisseurs à travers le monde est capable de fournir des capteurs de pression professionnels de haute qualité, les équipes de développement qui tentent de concevoir un moteur sans arbre à cames doivent s’assurer de choisir des capteurs adaptés et éprouvés.

Avec cette technologie, il est important que la pression pneumatique (utilisée pour actionner l’ouverture/fermeture des soupapes) et la pression hydraulique (qui joue le rôle de clapet et de maintien d’ouverte des soupapes) soient cartographiées avec précision pendant le développement.

Ces pressions sont contrôlées au moyen d’une unité de commande électronique qui détermine la levée, l’accélération et le calage en fonction de la charge du moteur, de la vitesse et des conditions ambiantes.

Si les équipes de développement réalisent correctement la cartographie de ce processus complexe, les avantages sont assez spectaculaires: il est possible d’extraire plus de 170 kW et 320 Nm de couple d’une unité quatre cylindres de 1,6 litre, ce qui représente 47 % de puissance en plus et 45 % de couple en plus qu’un moteur équivalent équipé d’un arbre à cames, tout en améliorant la consommation de carburant de 15 %.

Bien que les arbres à cames sont au cœur des performances des moteurs à quatre temps depuis plus d’un siècle, les soupapes actionnées par pression hydropneumatique pourraient bien équiper les moteurs à combustion dans un avenir proche.

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Passer à l’électrique augmente la pression

Passer à l’électrique augmente la pression

by | Wednesday, 1 July, 2020 | Automotive

Alors que le monde se rapproche de l’objectif « zéro émission », les ingénieurs des transports sont sous pression pour proposer des moyens novateurs de conserver la confiance des conducteurs dans l’évolution des technologies.

Prenons l’exemple du système de freinage hydraulique : le système hydraulique actuel est un véritable chef-d’œuvre d’ingénierie. Ce que les conducteurs prennent pour acquis en appuyant sur la pédale de frein a pris des décennies à développer et à perfectionner. Bien que ce système qui ralentit les véhicules soit un exploit technique complexe, l’introduction du servofrein n’est pas moins impressionnante.

Si nous examinons la force exercée par le conducteur sur la pédale par rapport au ralentissement du véhicule, nous constatons que cette force n’est pas linéaire. Avec l’aide du servofrein, la première partie de la courbe est plus raide, de sorte que le conducteur obtienne une corrélation directe entre l’effort sur la pédale et le ralentissement. Toutefois, à un moment nommé « point d’inflexion », l’assistance est réduite afin d’empêcher le conducteur de bloquer les roues par inadvertance, ce qui réduit l’efficacité du freinage.

Bien que les fabricants de freins maîtrisent à la perfection l’optimisation scientifique de ces systèmes, il existe une très fine distinction entre un excellent système de freinage et un système de freinage dangereux en conditions extrêmes. Les conducteurs expérimentent souvent cela lors d’un freinage d’urgence, lorsque le véhicule ralentit initialement comme prévu, puis ensuite « manque de freins » juste avant l’accident. Ceci est généralement attribué à une chute brutale de l’assistance servofrein, laissant le conducteur exercer une pression excessive sur la pédale à un stade critique de l’opération.

Bien qu’il s’agisse d’un scénario catastrophe, un système de freinage limité peut parfois offrir une expérience utilisateur insatisfaisante, même dans des conditions de conduite idéales. Le phénomène appelé « pédale dure » correspond à un manque de rétroaction (retour de sensations), se traduisant par une inadéquation entre la force exercée sur la pédale et le freinage attendu. Le conducteur a alors l’impression de ne pas contrôler le véhicule.

Mais après avoir perfectionné ces systèmes de freinage hydraulique depuis plusieurs décennies, l’industrie automobile est obligée de repenser tout ce qu’elle a appris : les véhicules électriques redéfinissent les systèmes de contrôle des véhicules.

Système de freinage à commandes électriques d’une voiture de course de Formule 1
Image Source: https://www.formula1-dictionary.net

Révolutionner les systèmes de freinage des véhicules électriques

Au fur et à mesure que l’électrification se met en place et que les moteurs à combustion interne traditionnels sont progressivement supprimés, les composants mécaniques tels que les servofreins ne disposent plus d’une source d’alimentation prête à l’emploi, ce qui signifie que des pompes et des moteurs électriques doivent être développés pour piloter les systèmes de contrôle.

En outre, pour intégrer des systèmes de conduite automatisés, les commandes évoluent rapidement vers l’architecture électrique/électronique (E/E), souvent appelée « freinage à commandes électriques ».

Toutefois, pour qu’un système de freinage à commandes électriques fonctionne de manière sûre et efficace, il convient de préserver l’intégrité de l’interface Homme-Machine (IHM). Pour y parvenir, les ingénieurs doivent cartographier les deux différentes forces (mesurées en pression, force/surface) : la force exercée par le conducteur sur la pédale et la pression résultante exercée sur les pistons de l’étrier d’un système hydromécanique « traditionnel ».

Il est impératif d’utiliser des capteurs de pression de haute qualité

Étant donné que l’intégrité de ces données est cruciale pour le développement efficace d’un système E/E, seuls des capteurs de pression de haute qualité, capables d’enregistrements , peuvent être utilisés.

Ces capteurs doivent non seulement être capables de capturer des données extrêmement précises, mais ils doivent le faire dans un environnement où les produits chimiques agressifs, la chaleur, les vibrations et les contraintes d’espace ne favorisent pas toujours des appareils de mesure soigneusement calibrés.

Pour cette raison, les équipes de développement s’appuient sur une poignée de fournisseurs de capteurs de pression, capables de fournir un équipement de mesure de qualité sur lequel ils peuvent compter.

Tout est question de rétroaction

Armés des données de pressions d’entrée et de pressions de sortie, les ingénieurs doivent maintenant essayer de reproduire, non pas la performance d’arrêt absolu, mais la rétroaction d’un système traditionnel. Avec des capteurs de vitesse de roue, il est assez facile de maximiser le ralentissement mais il est plus difficile de reproduire les retours de sensation d’un léger « freinage de contrôle » à faible vitesse.

C’est là que les données de conduite en conditions réelles valent de l’or : le ratio entre la force appliquée sur la pédale et la pression du système doit être répliqué par une unité de commande électronique qui gère la force de freinage. C’est une tâche particulièrement difficile, car les conducteurs utilisent le freinage de manière différente en fonction des conditions de la route, de la circulation et de leurs préférences personnelles. Un conducteur pressé peut être amené à utiliser le freinage de manière précipité et brutale, alors que les personnes âgées ont tendance à freiner de manière plus progressive et tranquille.

Le degré de difficulté de conception d’une rétroaction fiable peut être évalué grâce aux performances des systèmes montés sur les Formule 1 : Après trois ans d’essais, certaines équipes ne parviennent toujours pas à concevoir un système de freinage à commandes électriques qui offre une rétroaction suffisante pour les lourdes manœuvres de freinage.

Bien que les systèmes de freinage à commandes électriques soient encore loin d’une production en série à faibles coûts, les spécialistes des systèmes de freinage ont pu quantifier avec précision les impératifs de ces systèmes à l’aide de capteurs de pression fiables et précis.

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