Brevet FR2138134A1 — publié le 19721229

I»a présente invention concerne un procédé et une installation pour déterminer la concentration d'un composant gazeux d'un mélange gazeux binaire, constitué de composants de section d'ionisation différentes avec détermination simultanée de 5 la pression du mélange gazeux. Dans un procédé par buse séparatrice, on utilise par exemple des mélanges gazeux UF 6 et un additif gazeux léger comme, par exemple H2 et Ile pour séparer les isotopes de l'uranium. Dans les buses séparatrices elles-mêmes, il se produit une 10 séparation entre le gaz d'addition et UF6 si bien que la composition globale du gaz en fractions partielles se différencie très fortement à l'extrémité de la buse. Comme on veut tirer des conclusions de la séparation du mélange quant à la séparation des isotopes d'uranium, et qu'en cas de montage en cascade il faut connaître la 15 concentration en uranium, dans les diverses fractions, il faut pouvoir analyser rapidement le mélange. A cet effet, on utilisait jusqu'à présent des procédés qui servent à déterminer la concentration, mais selon lesquels, ilfeut généralement déterminer accessoirement la pression 20 du mélange gazeux analysé à l'aide d'un procédé de mesure plus ou moins complexe. A titre d'exemple de telles déterminations de concentration, on connaît des procédés de mesure à balance à densité de gaz, à cylindre oscillant ou par absorption de lumière nécessitant de plus des densités relativement elevées-de gaz. D'autres 25 procédés de mesure ne permettent qu'une approche discontinue, par exemple le procédé par effusion selon Bunsen. Dans d'autres cas, il est nécessaire d'avoir une installation très complexe comme par exemple pour l'analyse par des spectromètres de masse ou par la mesure de vitesse de son. 30 La présente invention a pour but de créer un procédé et une installation de détermination de la concentration d'un composant gazeux et de la pression d'un mélange gazeux binaire, selon lequel on détermine la concentration en continu, et indépendamment de la pression du gaz analysé, cette mesure pouvant égale-35 ment se faire si la densité du gaz est réduite et dans une large zone de concentration. A cet effet, la présente invention concerne un procédé caractérisé en ce qu'on ionise le mélange gazeux 5 et un gaz étalon 7 et on détermine comme première et seconde valeurs de 40 mesure, les courants d'ionisation I gg et Ivg, la pression p et 1 a température T du gaz étalon 7 étant amenes a la même pression p 72 17947 - 2 . 2138134 et la même température T que celles du mélange gazeux 5, puis on combine les valeurs de mesure dans une formule adéquate pour déterminer la concentration, la seconde valeur de mesure I détermi- vg nant la pression p lorsque la température T est connue. 5 l'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend dans une cellule de mesure 8, une source émettant des particules ionisant le mélange gazeux, ainsi qu'un détecteur d'ionisation 2,2' mesurant le courart d'ionisation 10 I , le gaz étalon étant introduit dans un volume partiel fermé So de la cellule de mesure, la paroi entourant ce volume partiel étant étanche au gaz et au moins une partie de la paroi en contact avec le mélange gazeux à analyser étant souple pour transmettre la pression du mélange gazeux au gaz étalon, une source d'ionisation 15 ainsi qu'un détecteur d'ionisation étant également prévus dans le volume partiel, pour mesurer le courant d'ionisation I dans le gaz étalon. Suivant un mode de réalisation particulier, l'installation comprend un circuit électrique à additionneur et 20 diviseur combinant les deux valeurs de mesure, et des moyens de lecture directe de la concentration et de la pression à la sortie du dit circuit. Suivant une caractéristique particulièrement intéressante, le détecteur d'ionisation est constitué d'un fil de 25 mesure tendu dans un cylindre creux dont la face intérieure est recouverte d'une préparation radioactive, ce fil envoyant des particules ionisées dans le mélange gazeux et dans le gaz étalon, une tension électrique étant appliquée entre le fil de mesure et le cylindre creux. 30 la présente invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - la figure 1 représente le montage schémati-35 que d'une cellule de mesure et du circuit correspondant. - la figure 2 montre un exemple de réalisation plus précis de la cellule de mesure. Selon la figure 1, l'installation pour la mise en oeuvre du procédé où. les mêmes organes portent les mêmes 40 références dans les deux exemples est constituée de deux unités 72 17947 - 3 - 2138134 de mesure 1, 2 dans lesquelles les préparations ionisantes 1 constituent des éléments importants. lia préparation 1 de radioactivité alpha par exemple (source de particules ioniques 241-Am) ionise partiellement le gaz ambiant, si bien qu'un courant passe entre 5 deux récepteurs 2 à des potentiels différents. Ce courant se mesure à l'aide d'un instrument de mesure 3. La source de tension 4 peut, par exemple, alimenter avec la même tension les deux unités de mesure (1,2 dans la cellule de mesure 8 et 1,2 dans le volume partiel 6), Les deux détecteurs d'ionisation 1, 2 se trouvent dans 10 lQ boîtier 8 (cellule de mesure) ayant une entrée de gaz 9 et une sortie 10 ou encore avec un seul des orifices 9 ou 10 servant à la fois pour l'introduction et l'évacuation du mélange gazeux binaire 5. L'une des unités de mesure 1f 2 de la cellule 8 est directement reliée au mélange gazeux 5 soumis à l'analyse. Le cou-15 rant ionique Igg (première valeur de mesure) qui passe entre les récepteurs 2, dépend pour une géométrie et une tension d'aspiration US donnée ( les raccords électriques 11, 12 passent en étant isolés dans la paroi du boitier 8) dépend de la densité ou de la pression p du mélange gazeux et de la section moyenne d'ionisation 20 alpha du mélange gazeux. Dans la mesurr où la section d'ionisation alpha du mélange gazeux ou/et celle du composant partiel se distinguent, la section d'ionisation moyenne dépend de la composition du mélange gazeux, c'est à dire de la concentration n d'un composant du mélange. 25 La seconde unité de mesure 1, 2 munie des conducteurs d'alimentation 14 et 15 traversant la paroi du boîtier 8, est séparée de façon étanche pour former un volume partiel 6 à l'aide d'une membrane 13, par rapport au mélange gazeux de la cellule de mesure 8. Ce volume partiel 6 est rempli d'un -^az étalon 7 de composition 30 constante. Le gaz étalon peut être un gaz quelconque, de même composition ou de composition différente de celle du mélange gazeux de la cellule de mesure 8. Le matériau de la membrane 13 est choisi tel que dans la plage d'équilibre (pla^e de pression) de l'installation, cette membrane ne peut présenter pratiquement aucune force de 35 rappel. Le gaz étalon 7 présente alors la même pression p que le mélange gazeux 5 à analyser. Comme les deux unités de mesure 1, 2 sont logées dans la même cellule de mesure 8, tout en étant séparées sans contrainte par la membrane 13, on est assuré que le saz étalon 7 et le gaz de mesure 5 présentent respectivement la même 40 température. On peut mesurer cette température indépendamment des conditions de mesure, par exemple à l'aide d'un thermomètre, puis l'utiliser pour déterminer la pression. 72 17947 - 4 - 2138134 Le courant ionique IVg(deuxième de valeur de mesure) engendré par l'ionisation, dans le gaz d'étalonnage 7, et qui est indépendant de la concentration du mélange gazeux examinée, constitue, lorsque la température est connue, une mesure 5 directe et sans équivoque de la pression p dans le mélange gazeux 5. Par le choix approprié des dimensions caractéristiques des détecteurs d'ionisation alpha 1, 2, on peut englober une très grande —2 +3 plage de pressions (10"" -10 mm/Hg) et de concentrations (0 à 100$) pour les analyses de mélange gazeux. Pour adapter de façon optimale 10 les détecteurs d'ionisation alpha 1,2 à une plage de pressions ou de concentrations, il suffit de choisir uniquement les caractéristiques dimensionnelles. La zone de fonctionnement optimal peut également être décalée en modifiant la tension d'aspiration US. Pour une tension d'aspiration US et une 15 géométrie identiques ainsi que pour un même gaz étalon 7, le rapport des deux courants ioniques I et I selon les formules vg gg 1 et 2 et la formule 3, constitue une fonction directe de la concentration du mélange gazeux n et représente ainsi une mesure directe de la composition du mélange gazeux que l'on peut également 20 déterminer d'après des mesures d'étalonnage. Dans ce cas, et pour de simples déterminations de concentrations, il n'est pas nécessaire de déterminer la température. Formule 1 : Iyg = avg.p/T Formule 2 : Igg = a^. pHe/T + aUI" *Wt 25 „ „ Ptt Formule 3 : n " He PHe + Dans ces formules, par exemple, pour un mélange gazeux de UF6 et He et avec Pp-e + He et avec PHe + P-^pg =p; 30 I représente le courant ionique dans le gaz étalon 7, a est *V§ une constante d'étalonnage et p est la pression dans le gaz étalon 7 ou dans le mélange gazeux 5; I est le courant d'ionisa- Oo tion dans le mélange gazeux : a^e est une constante d'étalonnage; aUF6 es^ 113:16 d'étalonnage; pge représente la pression 35 partielle dans l'hélium contenu dans le_ mélange gazeux 5; Pgpg est la pression partielle de UF6 dans le mélange gazeux; n est la concentration du mélange gazeux 5 et I sa température. Le rapport des courants ioniques Ivg et I peut s'obtenir simplement par exemple par un processus électronique 40 en utilisant le circuit 16 (additionneur et diviseur, dont les 72 17947 - 5 - 2138134 sorties n et p se lisent directement). Il est particulièrement avantageux que grâce à l'identité de la structure de la cellule de mesure 8 et du volume partiel 6, ces deux éléments soient alimentés par la même source de tension 4 et que les deux signaux 5 de mesure I „ et I (première et seconde valeurs de mesure) vg gg soient à un même niveau de signaux. On simplifie ainsi considérablement la formation du rapport pour la détermination de la concentration n. En première approximation, les signaux ne sont pas faussés par un décalage de la température des amplificateurs 10 et des résistances dans le montage 16, par des variations de la tension d * alimentation 4 ou par des parasites» En effet, les élémeats 3 ou 3,3' sont soumis aux mêmes influences, si bien que le rapport des courants ioniques I et I servant à la détermi- vg gg nation de la concentration, reste inchangé. 15 D'autres avantages de l'invention résident dans le fait qu'à l'exception de la membrane 13, il n'y a aucun organe mobile et le temps de réponse est particulièrement court. Par suite de la structure simple et robuste de la cellule de mesure 8, il est possible sans difficulté, en utilisant des matériaux 20 adéquats, de prévoir ce procédé même pour l'analyse de mélanges gazeux fortement corrosifs. L'installation convient particulièrement bien pour analyser de tels mélanges gazeux de types "quasi-binaire" dans lesquels la section d'ionisation des composants gazeux est considérablement différente. Cela permet-une analyse très 25 précise et on peut par exemple, utiliser l'invention pour la commande d'un processus. A titre d'exemple, dans le cas de mélanges Hg-C-f ^14 contenant environ 5% moléculaire C^ il est possible d'analyser le composant gazeux lourd avec une erreur relative d'environ 0,5$. 30 L'installation permet d'analyser également des mélanges gazeux dans lesquels les deux composants présentent le même poids moléculaire ce qui n'est pas possible par le procédé par effusion, par la balance à densité gazeuse, le montage à cylindre oscillant » ni par la mesure de la vitesse du son, dans la 35 mesure où les composants du mélange présentent des sections d'ionisation différentes comme par exemple le mélange Ng-C^H^. La figure 2 concerne un autre exemple de réalisation de l'invention. La cellule de mesure 8 munie d'une entrée de gaz 9 et d'une sortie de gaz 10, est réalisée par exern-40 pie sous forme de tube cylindrique. Cette cellule est traversée dans le sens des flèches par le mélange gazeux binaire 5. 72 17947 - 6 - 2138134 La première et la seconde unité de mesure 1, 2, 2' sont prévues à proximité l'une de l'autre dans la cellule 8. Ces unités sont constituées par des cylindres ouverts (constituant l'une des électrodes 2 des unités de mesure). Ces cylindres sont fixés sur 5 une plaque de fond isolante 17, reliée de façon étanche et solidement avec la paroi 18 de la cellule 8, de façon à fermer l'un des côtés des cylindres 2. Les faces intérieures des cylindres 2 sont revêtues de façon homogène d'une préparation 1 de radioactivité alpha et ces côtés forment des sources d'émission de particules 10 alpha entourant les électrodes-réceptrices 2', filiformes. Le volume intérieur 19 d'une unité de mesure 1, 2, 2' est relié par des raccords 11, 12 traversant de façon étanche la plaque de fond 17, à la source de tension 4 et à l'instrument de mesure 3 ou au circuit 16 ( les sources de tension 4 et 4' des deux 15 unités de mesure ne sont pas identiques dans le cas présent). Ce volume intérieur communique directement avec le mélange gazeux 5. Le volume intérieur 20 rempli de gaz étalon 20 7 dans la seconde unité de mesure 1f 2, 2' est également relié par les raccords isolants 14, 15 à la source de tension 4' et au dispositif indicateur 3' ou au circuit 16. Ce volume intérieur 20 est fermé à son côté opposé à la plaque 17, de façon étanche au gaz par une membrane à déroulement 13 ou un moyen équivalent. La position 25 de cette membrane dépend de la pression du gaz de mesure (mélange gazeux 5) de façon à équilibrer la pression du gaz de mesure et du gaz étalon 7. Comme les deux unités de mesure 1 2, 2' se trouvent l'une à côté de l'autre, il règle la même température dans les volumes intérieurs 19 et 20. Les parois des deux ensembles, notamment les cylindres 2 peuvent être reliés par leur enveloppe et on peut envisager une fenêtre pratiquée dans cette paroi commune, une seule source de particules 1, commune, fermant cette fenêtre. Si le niveau de pression et de température 35 du mélange gazeux à analyser est connu de façon très précise du fait que l'installation comporte par exemple des moyens de mesure de la température et de la pression, il est inutile de mesurer le courant d'ions engendré par la source d'ionisation dans le gaz de comparaison. La grandeur i^Vp* T (I = courant ionique, p = 66 ëS pression, T = temperature) est une grandeur qui est une mesure directe de la concentration n du mélange. 40 72 17947 - 7 - 2138134 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 72 17947 - a - 2138134 REVENDICATIQCTS 1°) Procédé pour déterminer la concentration d'un composant gazeux d'un mélange gazeux binaire, dont les composants ont des sections d'ionisation différentes, avec déter-5 mination simultanée de la pression du mélange gazeux, procédé caractérisé en ce qu'on ionise le mélange gazeux 5 et un gaz étalon 7 et on détermine comme première et seconde valeurs de mesure, les courants d'ionisation I „ et I , la pression p et la température gg vg' ■- * * T du gaz étalon 7 étant amenés a la même pression p et la même 10 température T que celles du mélange gazeux 5, puis on combine les valeurs de mesure dans une formule adéquate pour déterminer la concentration, la seconde valeur de mesure I déterminant la ' vg pression p lorsque la température T est connue. 2°) Installation pour la mise en oeuvre 15 du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend dans une cellule de mesure 8, une source émettant des particules ionisant le mélange gazeux, ainsi qu'un détecteur d'ionisation 2, 2' mesurant le courant d'ionisation I^, le gaz étalon étant introduit dans un volume partiel fermé de la cellule de me-20 sure, la paroi entourant ce volume partiel étant étanche au gaz et au moins une partie de la paroi en contact avec le mélange gazeux à analyser étant souple pour transmettre la pression du mélange gazeux au gaz étalon, une source d'ionisation ainsi qu'un détecteur d'ionisation étant également prévus dans le volume partiel, pour 25 mesurer le courant d'ionisation I dans le gaz étalon. vg 3°) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la source d'ionisation dans le volume partiel est la même que celle correspondant au mélange gazeux. 4°) Installation selon la revendication 2t 30 caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit éléctrique additionneur et diviseur combinant les deux valeurs de mesure I et I vg gg et des moyens de lecture directe de la concentration n et de la pression p à la sortie du circuit • 5°) Installation selon l'une quelconque des 35 revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le détecteur d'ionisation est constitué d'un fil de mesure tendu dans un cylindre creux dont la face intérieure est recouverte d'une préparation radioactive, ce fil envoyant des particules ionisées dans le mélange gazeux et dans le gaz étalon, une tension électrique étant appliquée entre 40 le fil de mesure et le cylindre creux. 72 17947 - 9 - 2138134 6°) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisée en ce que la paroi du volume pgirtiel est une membrane ou un soufflet à force de rappel réduite, négligeable dans le domaine de pression de fonctionnement de l'appareil.