Brevet FR2067359A1 — publié le 19710820

-1- 2067359 La présente invention concerne un spectromètre à double faisceau comportant un commutateur de polarisation susceptible de commuter le plan de polarisation des rayons provenant d'une source de rayonnement entre deux positions perpendiculaires entre elles» 5 II est assez souvent nécessaire de déterminer la quan tité d'une substance, telle que de la vapeur d'eau, dans un fluide perméable au rayonnement, tel qu'un gaz. C'est ainsi qu'on a déjà proposé d'utiliser de l'hélium comme fluide transportant de la chaleur dans un réacteur nucléaire refroidi au gaz et dans un tel système, il importe de 10 contrôler la présence de la vapeur d'eau dans le circuit d'hélium, du fait que la présence de vapeur d'eau peut révéler une perturbation à remédier. Un spectromètre à double faisceau du genre mentionné dans le préambule est connu du brevet français 2.008.805» 15 Dans ce dispositif connu, le faisceau de rayons sortant du commutateur de polarisation est divisé par un diviseur de rayons sensible à polarisation en deux faisceau partiels, notamment un faisceau de signal et un faisceau de référence. Ces faisceaux parcourent des trajets lumineux différents, dans chacun desquels est insérée une cellule de mesure. 20 L'invention vise à fournir un spectromètre à double faisceau dans lequel un faisceau de signal et un faisceau de référence parcourent les mêmes trajets et traversent le fluide à examiner. Le spectromètre à double faisceau oonforme à l'invention est caractérisé en ce qu'entre la source de rayonnement et le commutateur de polarisation sont 25 disposés successivement un dispositif de polarisation susceptible de diviser le faisceau de rayons en deux faisceaux partiels, à directions de polarisation perpendiculaires entre elles, un dispositif de filtrage limitant la fréquence de l'un desdits faisceaux partiels à une étroite bande de fréquence, située entre la bande d'absorption de rayonnement 30 de la substance et la fréquence de l'autre faisceau partiel à une bande de fréquence située hors de ladite bande d'absorption de rayonnement de la substance et du fluide, ainsi qu'un analyseur. De ce fait, il est possible de faire traverser le fluide alternativement par deux faisceaux partiels, dont l'un est atténué par la substance, alors que l'autre 35 n'est pas influencé par celle-ci. Selon une autre caractéristique du spectromètre à double faisceau conforme à l'invention, les ouvertures d'entrée et de sortie de l'enceinte contenant le fluide à examiner sont constituées par des conducteurs de rayonnement d'une forme telle que les faisceaux par 70 41165 -2- 2067359 tiels présentent pratiquement la même répartition spatiale à l'entrée dans et à la sortie de l'enceinte. De préférence, la source de rayonnement est constituée par une source de rayonnement modulée telle que les faisceaux de 5 rayons présentent une composante à intensité uniforme et une composante alternative à fréquence déterminée, alors que les amplitudes desdites composantes présentent un rapport relatif constant. La composante alternative fournit un signal â amplitude de référence pendant la comparaison des intensités des premier et second faisceaux partiels. 10 La description ci-après, en se référant au dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La fig. 1 représent une forme de réalisation d'un spectromètre à double faisceau conforme à l'invention. La fig. 2 montre schématiquement le circuit électri-15 que utilisé dans l'appareil représenté sur la fig. 1. Sur la fig. 1, un échantillon d'hélium, provenant d* une source d'hélium, non représentée sur le dessin, est introduit dans une cellule d'échantillon 1 à travers une admission 2. L'hélium peut être ramené à ladite source par l'intermédiaire d'tme évacuation 3» Une 20 source 4 de rayons infrarouges est constituée par une lampe à tungstène fonctionnant au-desBous de ses valeurs nominales pour assurer une longue durée de vie et un rendement lumineux uniforme. Une lentille 5 transforme les rayons émis par la source 4 en faisceaux convergents.. Deux polariseurs $ et 7 sont disposés, l'un à côté de l'autre, dans les tra-25 jets du faisceau de rayons derrière la lentille 5« Le rayonnement sortant du polariseur 6 est polarisé linéairement dans le plan du dessin et tombe sur un filtre 8. Le filtre 8 laisse passer une étroite bande de fréquences, dont la fréquence centrale de 1,87yu coïncide avec la partie centrale de la raie d'absorption de vapeur d'eau. De préférence, le fil-30 tre 8 est constitué par un filtre d'interférence. Ainsi, il sort du filtre 8 un premier faisceau partiel 10, qui est linéairement polarisé dans le plan du dessin et qui présente une étroite bande de fréquences située dans la bande d'absorption de vapeur d'eau de 1,87 yu. Les rayons sortant du polariseur 7 sont polarisés 35 linéairement dans une direction perpendiculaire au plan du dessin et tombent sur un filtre 9» Le filtre 9, qui est de préférence également constitué par un filtre d'interférence., laisse passer une étroite bande de fréquences, d'une longueur d'onde d'environ 1,7yu. Il se forme un -second faisceau partiel 11, qui est linéairement polarisé dans une di-40 rection perpendiculaire à celle du premier faisceau partiel 10. Tant la 70 41165 -3- 2067359 bande de passage du filtre 8 que celle du filtre 9 sont situœs dans une Bone dans laquelle du dioxyde de carbone n'absorbe pratiquement pas de rayons, de sorte que le dioxyde de carbone, éventuellement présent dans l'hélium, n'influe pas notablement sur les intensités relatives des deux ^ faisceaux partiels. Les deux faisceaux partiels 10 et 11 sont dirigés vers un éïément à effet de Faraday 12 en grenat, de préférence en grenat d'yttrium-fer ou une substance dérivée. L'élément 12 est situé dans un champ magnétique déterminé par le courant provenant d'une source 10 14 fournissant un courant rectangulaire en fonction du temps, comme représenté par le diagramme courant-temps 22, ce courant excitant une bobine de commande désignée schématiquement par le chiffre de référence 13. Le plan de polarisation de chacun des faisceaux partiels 10' et 11*, Qui ont traversé l'élément 12, varie entre les directions correspondant aux 15 deux valeurs du courant I dans plusieurs intervalles du temps. Le courant rectangulaire a une valeur telle que les deux positions du plan de polarisation sont perpendiculaires entre elles pour un faisceau partiel déterminé. De préférence, les valeurs du courant sont telles que le plan de polarisation est tourné alternativement d'un angle d'environ 45° et 20 d'environ - 45° à partir de la direction de polarisation que présente le faisceau partiel pendant la sortie, lorsque le champ est égal à zéro. Les faisceaux 10' et 11* atteignent alors un analyseur 15 présentant, par rapport aux deux plans de polarisation perpendiculaires entre eux des faisceaux partiels en question, une position 25 telle que lesdits faisceaux partiels puissent alternativement passer selon la durée des deux valeurs du courant I. Les faisceaux partiels sortent alternativement de l'analyseur 15 et entrent, à travers une fenêtre 16, dans la cellule d'é* chantillon 1, dans lesquels il tombent sur un miroir concave 17. ^a fe-20 nêtrelôala forme d'un conducteur de rayonnement, dans lequel les rayons sont réfléchis totalement à plusieurs reprises par les faces latérales du conducteur et sa longueur est telle qu'à la sortie, les deux faisceaux partiels sont entremêlés de façon à suivre un trajet pratiquement commun, tant à travers la limitation dirigée vers l'intérieur de la fenêtre 16 que dans l'échantillon d'hélium contenu dans les cellules d'échantillon 1, Les faisceaux partiels sont réfléchis par le miroir 17 et focalisés sur la surface dirigée vers l'intérieur d'une seconde fenêtre de la cellule 18, dont la forme est analogue à celle de la fenêtre 16. A la sortie de la fenêtre 18, les faisceaux partiels parviennent sur la zone 40 sensible d'un détecteur de rayons infrarouges 19» comportant de préfé 70 41165 -4- 2067359 rence du sulphure de plomb comme conducteur photo-électrique. Les intensités relatives des deux faisceaux partiels sont établies, par exemple à l'aide d'une ouverture variable, ménagée dans le trajet de l'un desdits faisceaux, de façon qu'en l'absence de 5 vapeur d'eau dans l'échantillon d'hélium contenu dans les cellules 1, le signal de sortie du détecteur 19 est égal pour les faisceaux partiels. Le signal de sortie du détecteur 19 est démodulé conformément au diagramme courant-temps 22 et ensuite rendu visible par un dispositif 20. Ce signal est représentatif pour la réduction des in-10 tensités du premier faisceau partiel provoquée par l'absorption par de la vapeur d'eau présente dans la cellule 1, comparativement à l'intensité du second faisceau partiel. La valeur de cette absorption constitue une mesure pour la concentration en vapeur d'eau éventuellement présente dans l'échantillon d'hélium contenu dans la cellule 1. 15 La fig. 2 représente schématiquement le circuit uti lisé pour la mesure à l'aide du dispositif représenté sur la fig. 1. Le signal de sortie provenant d'une source lumineuse 24, constituée par une lampe à tungstène 4, est commandé par un modulateur 25 de façon que l'intensité du rayonnement émis est constituée par 20 un composante de courant continu constante et une composante de courant alternatif à fréquence de 30 Hz. Le rapport entre les intensités de crête desdites composantes du rayonnement émis est maintenu pratiquement constant. Le bloc 52 inséré dans le trajet des rayons provenant 25 de la source 24 comporte l'élément à effet de Faraday 12 constitué par du grenat d'yttrium-fer et la bobine correspondante 13, qui est alimenté en courant rectangulaire par la source 14» courant dont la fréquence de répétition dépasse notablement celle de la composante de courant alternatif émise par la source 24. 30 Le signal de sortie du détecteur de rayonnement 19 est amplifié par un pré-amplificateur 26 et un amplificateur 27, à facteur d'amplification variable. Le signal provenant de l'amplificateur 27 est appliqué à l'entrée de l'amplificateur accordé 29, à facteur d'amplification fixe, qui présente une résonance à la fréquence du courant 35 rectangulaire appliquée au dispositif à effet de Faraday 32. Le signal de sortie de l'amplificateur 29 est appliqué à un démodulateur synchrone 31, qui est alimenté par un signal de sortie de référence provenant de la source 14* Le signal de sortie du .démodulateur synchrone 31 est .un signal, dont l'amplitude est tributaire 40 de la différence en intensité entre les premier et second faisceaux par 70 41165 -5- 2067359 tiels de rayons, tombant sur le détecteur 19» L'intensité du second faisceau partiel n'est guère influencée par la présence de la vapeur d'eau et constitue ainsi un faisceau de référence. L'intensité du premier faisceau partiel, qui est établie de façon à être égale à celle du 5 second faisceau partiel en l'absence de la vapeur d'eau, sera réduite d'un montant qui est tributaire de la concentration en vapeur d'eau dans l'échantillon. Ainsi, l'alternance se produisant entre les deux faisceaux partiels en la présence de la vapeur d'eau dans l'échantillon provoque la formation d'un signal de sortie, qui est. prélevé sur le dé-10 modulateur synchrone 31 et dont l'amplitude est tributaire de la quantité de valeur d'eau présente dans l'échantillon. Toutefois, l'amplitude du signal de sortie du démodulateur synchrone 31 est également influencée par des variations se produisant dans les paramètres du système, tels que la sensibilité du 15 détecteur de rayonnement 19, les facteurs d'amplification des amplificateurs 26 et 27, et les paramètres déterminant les intensités des faisceaux partiels tombant sur le détecteur de rayonnement 19, tels que l'intensité de la source 24, les facteurs de passage des fenêtres 16 et 18, le coefficient relatif du miroir 17 et le rendement des conducteurs de 20 rayonnement, ainsi que la mesure dans laquelle les conducteurs de rayonnement sont alignés. L'effet de telles variations du système est rendu pratiquement identique pour les deux faisceaux partiels, du fait que ceux-ci sont forcés à parcourir un trajet pratiquement commun dans la cellule et à travers les faces de limitation dirigés vers l'intérieur 25 des fenêtres 16 et 18 sur lesquelles se peut déposer de la poussière. L'effet de telles variations des paramètres du système sur l'amplitude du signal de sortie du démodulateur 31 est pratiquement annihilé par un circuit de réglage d'amplification automatique, à l'aide duquel l'amplitude du signal déduit de la composante de courant 30 alternatif de 30 Hz et, de ce fait, également le signal présentant l'intensité du second faisceau partiel, est pratiquement maintenu constant à la sortie de l'amplificateur 27 à facteur d'amplification variable. Le signal de sortie de l'amplificateur 27 est appliqué par l'intermédiaire de l'amplificateur accordé 28 à facteur d'ampli-35 fication fixe, qui résonne à la fréquence de la composante de courant alternatif de 30 Hz de la source 24, à un démodulateur synchrone 30, qui est également alimenté par un signal de sortie de référence de 30 Hz provenant du modulateur 25. Le signal de sortie du démodulateur 30 est alors utilisé pour régler l'amplification de l'amplificateur 27 à facteur d'am-40 plification variable de façon que l'amplitude du signal de 30 Hz soit 70 41165 -6- 2067359 maintenue pratiquement constante à la sortie dudit amplificateur. Lorsque le signal de sortie du démodulateur 30 baisse au-dessous d'une valeur minimale déterminée, ce qui révèle une absorption trop grande du rayonnement provoqué par exemple par de la poussière sur les surfaces dirigées vers l'intérieur des fenêtres de la cellule. Lorscjiele signal de sortie est absent, ce qui indique un défaut de-la source 24, cette situation est détectée par un circuit d'alarme 33, qui délivre un signal d'alarme. L'effet du circuit de réglage d'amplification permet que le signal de sortie du démodulateur synchrone 31 puisse être utilisé par le circuit de sortie et d'alarme 34 afin de rendre la concentration relative en vapeur d'eau dans l'échantillon immédiatement visible dans un dispositif indicateur approprié, qui peut être gardé de façon qu'un signal d'alarme soit délivré lorsque l'amplitude et, par conséquent, la concentration relative en vapeur d'eau dépassent une valeur de seuil déterminée. Une variante du spectromètre à double faisceau conforme à l'invention constitue celle dans laquelle la cellule d'échantillon 1 se trouve entre la source 4 et à la lentille 5» Le rayonnement provenant de la source 4 et traversant la cellule et les fenêtres dirigées vers l'intérieur de la cellule doit être mélangé d'une façon efficace de façon que chaque atténuation locale du rayonnement sur le trajet à travers la cellule d'échantillon provoque des réductions pratiquement égales dans l'intensité de chaque faisceau partiel 10 et 11. Le dispositif à effet de Faraday 12 peut être remplacé par un dispositif utilisant au moins une plaque en une substance, qui est à même de provoquer la rotation du plan de polarisation en fonction d'un champ électrique appliqué. Les rayons ne sont pas nécessairement réfléchis par un miroir 17 disposé dans une cellule d'échantillon 1, mais peuvent être dirigés à travers la cellule, à partir de la fenêtre 16 située d'un coté de ladite c*llule, vers la fenêtre de sortie 18 située de l'autre côté. Dans le trajet des rayons peut être disposée une lentille permettant de concentrer les rayons provenant de la fenêtre 16 sur la fenêtre 18. De plus, la lentille peut être omise si l'intensité de la source 4 et la sensibilité du détecteur 19 sont suffisamment élevées. L'invention a été décrite pour la mesure de la quantité relative de vapeur d'eau contenue dans de l'hélium, mais elle peut également être utilisée pour la mesure de la quantité relative d'autres substances présentes dans des fluides perméables aux rayons. De tels 70 41165 -7- 2067359 fluides peuvent être gazeux, rigides, solides, à condition que des bandes de référence et d'absorption appropriées ou des fréquences de référence et d'absorption appropriées puissent être utilisées pour les composants de la façon décrite ci-dessus. 70 41165 -8- 2067359 Revendications : 1. Spectromètre à double faisceau comportant un commutateur de polarisation susceptible de commuter le plan de polarisation des rayons provenant d'une source de rayonnement entre deux positions perpendiculaires entre elles, ce spectromètre à double faisceau étant caractérisé en ce qu'entre la source de rayonnement et le commutateur de polarisation sont disposés successivement un dispositif de polarisation susceptible de diviser le faisceau de rayons en deux faisceaux partiels, à directions de polarisation perpendiculaires entre elles, un dispositif de filtrage limitant la fréquence de l'un desdits faisceaux partiels à une étroite bande de fréquences, située entre la bande d'absorption de rayonnement de la substance et la fréquence de l'autre faisceau partiel à une bande de fréquences située hors de ladite bande d'absorption de rayonnement de la substance et du fluide, ainsi qu'un analyseur» 2. Spectromètre à double faisceau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures d'entrée et de sortie de l'enceinte contenant le fluide à examiner sont constituées par des conducteurs de rayonnement d'une forme telle que les faisceaux partiels présentent pratiquement la même répartition spatiale à l'entrée, dans,et à la sortie^de l'enceinte. 5» Spectromètreà double faisceau selon la revendica tion 1 ou 2, caractérisé en ce que la source de rayonnement est constituée par une source de rayonnement modulée telle que les faisceaux de rayons présentent une composante à intensité uniforme et une composante alternative à fréquence déterminée, alors que les amplitudes desdites composantes présentent un rapport relatif constant.