Brevet FR2130482A1 — publié le 19721103

La présente invention est relative aux appareils d'analyse employant les techniques photométriques et plus particulièrement à un analyseur photométrique utilisant l'optique des fibres. La photométrie a été reconnue comme étant une méthode efficace pour analyser les mélalH,e et les com,Sosés contenant de faibles concentrations de substance(s) à identifier. De l'air ou d'autres gaz contenant des composés sulfureux u phosphorés a (ont) été analysé(s) en brûlant l'échantillon de gaz dans une atmosphère riche en hydrogène et en observant une zone choisie de la flamme pour ses colorations spécifiques.La technique photométrique peut aussi etre utilisée pour détecter les particules d'aérosols ainsi qu'une variété d'éléments dans des gaz ou en solutions en substituant dans la flamme différents gaz combustibles ou porteurs et en utilisant différents filtres optiques capables de répondre aux caractéristiques lumineuses du spectre de la substance étudiée. Plus récemment des méthodes basées sur des réactions chimico-luminescentes ont été utilisées pour l'analyse de gaz contenant de l'acide nitrique et de l'ozone. I1 est souhaitable et/ou nécessaire que les chambres à flamme des photomètres à flamme et que les chambres de réaction des analyseurs chimico-luminescents fonctionnent à des températures sensiblement plus élevées que la température amt ante. la chffieur dégagée par ces chambres dans les appareils classiques est est transmise par conduction, convection ou radiation au filtre optique et au détecteur photométrique de lumière, ordinairement un tube photomul- tiplicateur dans les instruments les plus sensibles, où il a les effets indésirables de chauffer le filtre et d'augmenter le bruit sombre du détecteur.Le bruit sombre du détecteur est le bruit nterne produit lorsque tout le flux lumineux externe s écarté de l'élément photoémissif ou des éléments du détecteur Si dans les in struments de l'art antérieur on représente le détecteur photométrique de lumière disposé à quelque distance de la chambre à flamme ou de la chambre à réaction où il est moins soumis à l'effet de la chae-. on se rend compte qu'un système optique correctement élaboré est fait pour transmettre la lumière de la zône d'internat à la surface sensible du détecteur. Ceci réduit singulièrement le choix de la position du détecteur par rapport à la chambre et réclame des soins dans la manutention et la maintenance pour préserver l'alignement et la propreté. La présente invention permet d'éviter ces inconvénients. L'appareil analytique suivant l'invention, qui est du type photométrique est caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de réaction incorporant des moyens pour exciter un échantillon à analyser pour provoquer une émission de lumière caractéristique de la composition de l'échantillon ; un détecteur photométrique disposé à distance appréciable et produisant un signal indicateur des caractéristiques de la lumière émise et un ensemble de fibres optiques transmettant cette lumière et ayant une entrée disposéepour être exposée à la lumière émise dans la chambre et une sortie disposée pour diriger la lumière transmise sur le détecteur photométrique. Avantageusement, l'entrée de l'ensemble des fibres optiques est orientée par rapport à la chambre de réaction de façon à ne recevoir que la lumière provenant d'une zone particulière à l'intérieur de cette chambre. Suivant une caractéristique de réalisation, l'ensemble de fibres optiques utilisé pour la transmission de la lumière présente une forme évasée ou effilée avec des diamètres à l'entrée et à la sortie différents. Suivant un mode de réalisation le diamètre à l'entrée du faisceau de fibre optiques est inférieur au diamètre à la sortie. Suivant un autre mode de réalisation le diamètre à l'entrée du faisceau de fibres optiques est supérieur au diamètre à la sortie et dans ce cas, on prévoit l'interposition d'une lentille plan-convexe à la sortie du faisceau de fibres pour diriger un faisceau de rayons lumineux sensiblement parallèles sur le filtre optique. D'autres caractéristiques ressortiront de la description qui va suivre et qui n'est donnée qu'à titre d'exemple. A cet effet on se reportera aux dessins joints dans lesquels - la figure 1 est une représentation schématique partiellement en coupe, partiellement en schéma-blocs d'un dispositif suivant l'invention - la figure 2 est une représentation schématique explicative - la figure 3 est une représentation schématique d'une variante de réalisation du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 4 illustre en section une variante de réalisation de la chambre à flamme. La figure 1 illustre l'invention dans son application à un instrument analytique du type photomètre à flamme. Une chambre à flamme 10 comprend un bec brûleur 11 alésé dans sa partie axiale inférieure pour permettre l'insertion d'un brûleur 12. Une cheminée 13 est creusée dans le bloc au-dessus du jet. Une ouverture d'observation 14 est percée transversalement dans le bloc il pour rejoinre la cheminée au vois nge G c'e flan-e produite par la combustion des gaz transmis par le bec 12 du brûleur.Ces gaz suint transrr.is avec des vitesses d'écoulement contrôlées au travers du tube 15 qui communique avec le brûleur. la contustion peut prendre place dans une atmosphère enrichie par des gaz s'écoulant au travers d'un tuyau 16 traversant le bloc et menant à l'espace entourant l'extré- mité supérieure du brûleur. Une vitre transparente 17 faite par exemple en quartz, est maintenue dans la cheminée par uui ressort hélicoïdal 18 pour sceller et protéger le regard d'observation 14. L'extrémité d'entrée 21 d'un faisceau de fibres optiques 22 disposé dans une gaine opaque est rigidement fixée dans ltouver- ture 14 au moyen d'une monture façonnée 23 imperméable à la lumière. Le faisceau conduit la lumière de la flamme jusqu a uioe détecteur de lumière éloigné 24. D'une manière classique, le détecteur 24 comprend un boitier 25 imperméable à la lumière et contenant un tube détecteur de lumière 26 du type photomultiplicateur. Le tube 26 est monté sur une base flexible 28 et se trouve retenu à son extrémité sensible à la lumière dans un bloc de montage 27. Le bloc de montage 27 supporte également un filtre optique 30 qui réduit le spectre de lumière transmise par lui à une bande étroite de longueurs d'ondes centrées sur la ligne colorée caractéristique de la réaction étudiée. Le faisceau de fibres optiques 22 pénètre dans le boitier 25 par un bloc de montage 29 et se termine en butée contre le filtre 30. A l'intérieur du bloc 27, les fibres du faisceau 22 sont évasées en direction de la sortie, amenant à un diamètre de sortie sensiblement supérieur au diamètre de l'entrée 21. Comme on le verra ci-après, évaser le faisceau de fibres optiques de cette manière, confère au faisceau lumineux sortant la propriété d'un faisceau lumineux ayant traversé un collimateur, c'est à dire que tous les rayons lumineux frappent presque normalement la surface extérieure du filtre 30. Le signal à la sortie du tube 26 est amplifié en 7 et affiché ou enregistré en 4 suivant les besoins. On notera que bien que la figure 1 qui vient d'être décrite représente le cas où le faisceau de fibres est évasé à la sortie, on entend également explicitement protéger par cette demande de brevet le cas où le faisceau de fibres optiques 22 est composé uniquement de fibres parallèles sur toute sa longueur. La figure 2 correspond à une représentation généralisée d'un faisceau de fibres optiques évasé montrant le chemin d'un rayon lumineux incident sous l'angle 2 et sortant sous l'angle CC1, la lumière se propageant de la droite vers la gauche. Le diamètre de la petite extrémité est d2 et le diamètre de la grande extrémité est d1. Comme il est expliqué dans le livre "Applied Optics and Optical Engineering", Volume IV, Part I, pp 10-11, publié par Academic Press, 1967, l'angle d'incidence de chaque réflexion d'un rayon entrant par la petite entrée est inférieur à l'angle d 'inci- dence de sa réflexion précédente d'une quantité égale à deux fois l'angle Q du cône.On obtient l'effet inverse pour un rayon pénétrant par l'extrémité de grand diamètre, c'est à dire que l'angle d'incidence augmente de 2 Q à chaque réflexion. Par conséquent, on a la loi suivante d2 d1 sin oC1 = d2 sin ou sino d1 2 Pourque des rayons semblables à ceux qui émergent d'un collimateur sortent du faisceau de fibres optiques, il faut que l'angle c(1 soit voisin de zéro. Puisque d2 doit avoir une quelconque valeur finie, l'évasement du faisceau ne peut pas produire un effet collimateur pour toutes les valeurs possibles de l'angle d'entrée 0 la figure 3 représente une variante de réalisation suivant laquelle le faisceau de fibres optiques est effilé dans le sens inverse de celui de la figure 1. La cellule de réaction 10 de la figure 3 et l'extrémité d'entrée 21 du faisceau de fibres optiques 22' sont identiques à ce qu'elles étaient dans la figure 1. A l'extrémité de sortie 31 les fibres du faisceau 22' sont effilées de façon convergente de façon à présenter un diamètre de sortie inférieur au diamètre d'entrée. Le plan de sortie 31 est disposé au foyer d'une lentille plan-convexe 32 collimatrice. Un filtre optique 30 et un tube photo-multiplicateur 26 sont disposés derrière la lentille 32 et fonctionnent de la manière habituelle excepté que la lumière frappe normalement le filtre 30 du fait de l'action colli matrice de la lentille 32. On notera que quoique la lumière qui émerge de la sortie 31 du faisceau de fibres optiques ait une répartition avoisinant la distribution à partir d'une source ponct-lle dans un angle assez grand, elle ne peut pas approche cette rèparttt2cn d'une manière étroite, parceque cette condition exigerait que l'on dépasse l'angle critique au-delà duquel aucune transmission de lumière par le faisceau de fibres ne peut se produire.Si l'on suppose que cet angle critique est de 600 et que l'on désire recueillir la lumière de la flamme sur un demi-angle de 15 degrés, on a d2 = sin 15 # 0,3 d1 sin 60 si le rapport des diamètres de sortie et d'entrée a cette valeur, l'extrémité d'entrée du faisceau peut être amenée dans la proximité immédiate de la flamme ou de toute autre source de lumière dans la chambre de réaction de l'instrument sans que la lumière des surfaces non désirées de la source soit vue tout en maintenant les caractéristiques requises de bande passante du filtre. Dans la variante de la figure 4, le faisceau de fibres optiques est représenté comme se présentant obliquement dans la chGm- bre à flamme. La lumière tombant sur l'extrémité d'entrée 21 sous un angle supérieur à l'angle Q que les fibres optiques peuvent accepter est éliminée par celles-ci. Par conséquent, la variante de le. figure 4 est prévue pour l'étude de la lumière provenant d'une zone s e au-dessus de la partie lumineuse continue de la flamme. Si on le désire, un miroir 74 de qualités optiques appropriées peut être utilisé pour augmenter le flux lumineux transmis par le faisceau. les caractéristiques de la substance constituant les fibres optiques 22 déterminent la valeur de l'angle Q, si bien qu'en choisissant une substance de fibres appropriée et rn-- angle d'orientation, on peut examiner des zones de luminosité déterminées. REVENDICATIONS 1) Appareil analytique du type photométrique, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de réaction incorporant des moyens pour exciter un échantillon que l'on se propose d'analyser pour provoquer une émission de lumière caractéristique de la composition particulière de l'échantillon ; un détecteur photométrique éloigné produisant un signal indicateur des caractéristiques de cette lumière et un réseau de transmission de lumière par fibres optiques ayant une extrémité d'entrée disposée pour recevoir de la lumière de la chambre de réaction et une extrémité de sortie disposée pour diriger la lumière transmise vers le détecteur photométrique. 2) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de réaction et le détecteur photométrique sont maintenus à des températures sensiDlement différentes. 3) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur photométrique comprend un filtre optique et un détecteur de lumière répondant à la lumière transmise par le filtre. 4) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité d'entrée du réseau de fibres optiques est orientée par rapport à la chambre de réaction de façon à ne recevoir que la lumière provenant d'une zône prédéterminée à l'intérieur de cette chambre. 5) Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de transmission de lumière par fibres optiques est effilé avec des diamètres d'entrée et de sortie différents. 6) Appareil suivant la revendication 5, caractérisé en ce que entrée du réseau de fibres optiques a un diamètre inférieur à celui de la sortie. 7) Appareil suivant les revendications 3 et 5, caractérisé en ce que la sortie du réseau de fibres optiques a un diamètre inférieur à celui de l'entrée et en ce qu'une lentille plan-convexe est disposée entre la sortie et le filtre optique.