Brevet FR2250990A1 — publié le 19750606

La présente invention concerne une installation de détection de fuites de gaz pour la surveillance d'un parc de réservoirs contenant des gaz pouvant être nocifs, ainsi qu'un détecteur d'absorption d'infrarouge à laser Ee-Xe. De grandes quantités d'hydrogène sulfuré sont utilisées dans des usines de fabrication d'eau lourde Da0. Ce gaz est habituellement contenu dans de grands réservoirs disposés en rangées parallèles et reliés entre eux par des tuyaux. butant donné la nocivité de l'hydrogène sulfuré, on apporte beaucoup de soin à la réalisation de ces réservoirs et tuyaux, mais le risque de fuites subsiste toujours; or, on a déterminé que si de lthydrogène sulfuré est continuellement présent à dose modérée, on peut devenir inapte à reconnaitre son odeur caractéristique et donc à déceler sa présence.En outre, si de lthydrogène sulfuré est présent à forte dose dans une certaine zone par suite d'une grosse fuite, une personne pénétrant dans cette zone peut ne pas remarquer la présence de ce gaz parce que ce dernier paralyse immédiatement ses nerfs olfactifs. I1 est donc essentiel de disposer d'une installation fiable soumettant la zone voisine dtune usine à une surveillance continue pour déceler la présence d'hydrogène sulfuré. Il est en outre préférable que l'installation soit apte à mesurer la teneur en H2S de l'atmosphère, ainsi qu'à in'liquer-l'emplacement approximatif d'une fuite de ce gaz. Bes Les techniques d'absorption d'lnfrarougWe ont déjà trouvé de nombreuses applications dans la détection et l'analyse de divers éléments et composés. toutefois, ces applications se révèlent complexes et onéreuses; en outre, elles exigent des ajustements continus lorsqu'il s'agit de surveiller une zone telle qu'usine de fabrication d'eau lourde. En conséquence, la présente invention a pour but de proposer une installation de détection de fuites de gaz qui soit propre à surveiller une usine pour y déceler la presence de gaz émanant d'une fuite, à mesurer la concentration du gaz dans la zone surveillée et à indiquer avec une certaine approximation 1'emplacement de la fuite de gaz dans cette zone. L'invention vise encore un détecteur de fuites d'hydrogène sulfuré. On atteint ces buts, ainsi que d'autres, en prévoyant deux détecteurs identiques. Chaque détecteur comporte un laser He-Xe émettant à une longueur d'onde de 3,6859 et monté sur un dispositif de balayage muni d'un télescope. On fait balayer par le faisceau un certain nombre de réflecteurs rétroréfléchissants ou catadioptriques judicieusement répartis le long de la ligne de faite des réservoirs de HSS extérieurs ainsi que le long des cô- tés des réservoirs sangle. Les réflecteurs forment en réfléchissant le faisceau un rideau de trajets optiquement sensibles le long de deux cotés de la zone surveillée.Si l'on place deux détecteurs en des coins diagonalement opposés de cette zone, celleci se trouve entièrement entourée par le rideau de trajets. En cas de fuite, une traînée de HS vient couper le rideau de trajets optiquement sensibles et le faisceau de balayage se trouve absorbé par l'hydrogène sulfuré, lequel présente une ligne d'absorp- tion majeure à 3,6858-. Ainsi, T'intensité du faisceau réfléchi varie selon la concentration et l'importance de la traînée de 112s. On peut encore disposer deux autres détecteurs en deux autres coins diagonalement opposés pour former un second rideau de trajets optiquement sensibles. Ce second rideau forme avec le premier une grille, ce qui permet à l'opérateur de déterminer 1'emplacement où le gaz traverse la grille. Etant donné que la détection repose sur l'absorption par H2S d'une longueur d'onde critique (alors que pour d'autres impuretés telles que poussières, brouillard, etc. l'absorption porte sur toutes les longueurs d'onde), il peut être utile de comparer lténergíe transmise à la longueur d'onde 'l'absorption par II2S avec celle transmise à une longueur d'onde voisine.A cette fin, on peut utiliser effet ueeman pour faire prendre et quitter à la ligne de laser la longueur d'onde critique, ce qui donne un faisceau d'intensité constante, mais à deux fréquences différentes. La différence d'inten- sité du faisceau réfléchi est représentative de la concentration d'hydrogène sulfuré décelée. On va décrire plus en détail ces aspects de l'invention, ainsi que d'autres, en se référant aux dessins annexés, sur les quels la figure 1 est une vue en perspective simplifiée du parc de stockage d'une usine à eau lourde; la figure 2 montre en plan une installation à quatre détecteurs; la figure 3 est une vue schématique du détecteur à laser; et la figure 4 est nn diagramme illustrant la coincidence de la ligne de laser Celle et de la ligne d'absorption d'E2Sh La figure I est une vue simplifiée du parc d'une usine à eau lourde 1, comportant des réservoirs 3 reliés entre eux par des tuyaux, ainsi que du matériel périphérique non représente, Habituellement, les réservoirs sont disposés en rangées parallèles et forment un parc rectangulaire, mais on peut aussi bien utiliser l'installation de détection sur un parc de forme quelconque.Dans une usine de fabrication d'eau lourde, les réservoirs ont habituellement environ 100 m de haut et sont espacés d'environ 50 ira. Le voisinage immédiat de l'usine est en général entouré d'une barrière 5 et constitue une zone sous contrôle soumise à des règles de sécurité rigoureuses. Quatre détecteurs d' absorp- tion d'infrarouge 2 sont disposés à l'extérieur de la zone sous contrôle. Les détecteurs peuvent être du type qu'on décrira à propos de la figure 3 ou d'un type classique quelconque. De préférence, an détecteur 2 est placé près de chaque coin du parc 1 de fa çon à Qtre directement en vue de deux côtés. Pour simplifier la représentation, on n'a indiqué que les détecteurs 2a et 2b et les faisceaux correspondants.Des réflecteurs 4a, associés au détecteur 2a, sont montés le long de la ligne de fate des réservoirs extérieurs 3 situés sur deux côtés du parc. D'autres réflecteurs 4a peuvent être échelonnés sur les parois latérales des réservoirs de coin et montés en tous autres points particuliers du parc, directement en vue du détecteur 2a. Des réflecteurs analogues sont associés au détecteur 2b et aux deux autres détecteurs non représentés. Le nombre de réflecteurs affectés à chaque détecteur varie selon l'espacement des réservoirs et l'importance du parc. Les réflecteurs peuvent etre répartis à intervalles d1environ 25 m, ou plus faibles si l'on souhaite davantage de précision. Pour plus de commodité, on utilise des réflecteurs rétroréfléchissants ou catadioptriques parce qu'ils réfléchissent un faisceau suivant sa direction d'incidence sans exiger d'ajustement précis ni con tint. Chaque détecteur 2, qu'on décrira plus en détail à propos de la figure 3, est agencé pou4balayer périodiquement tous les réflecteurs associés, formant ainsi un rideau de trajets optiquement sensibles le long de deux cuités du parc. Par conséquent, deux détecteurs diagonalement opposés balaient les quatre côtés du parc. oeout gaz s'échappant du parc absorbe en partie la lumière Biir un ou plusieurs de ces travers. En conséquence, toute va riation de l'intensité du faisceau réfléchi, décelée par le détecteur 2, est révélatrice 'l'une fuite de gaz. Sur la figure 2, où les divers - organes conservent les mêmes références numériques que sur la figure 1, le parc I représenté à titre d'exemple comporte douze réservoirs 3 répartis sur trois rangées parallèles. Pour que l'installation décèle des traSnées de gaz apparaissant sur l'un quelconque des quatre côtés du parc, il faut prévoir deux détecteurs 2a et 2c et le nombre voulu de réflecteurs respectifs 4a et 4c. Pour simplifier la représentation, on n'a indiqué qu'un petit nombre de réflecteurs. Le détecteur 2a explore les côtés I et II et le détecteur 2c les cô- tés III et Iv. On a représenté un second jeu de détecteurs 2b et 2d et des réflecteurs correspondants 4b et 4d. Ces deux détecteurs balaient aussi les quatre côtés du parc. Si les détecteurs 2b et 2d sont montés hors de la zone sous contrôle, à une certaine distance des détecteurs 2a et 2c, comme représenté sur la figure 2 les trajets de leurs faisceaux dessinent une grille avec ceux des faisceaux des détecteurs 2a et 2c.'Cette grille facilite la localisation de la fuite par l'opérateur.Par exemple, si le détecteur 2a indique une baisse de l'intensité du faisceau emprwitant lè trajet 6 et que le détecteur 2b indique aussi une baisse d'intensité du faisceau réfléchi suivant le trajet 7, l'opérateur en déduit qu'une gratinée de gaz passe par le point d'intersection 8. Si l'on n'affecte qu'un détecteur 2a aux c8tés I et II, l'opEra- teur sait seulement que la traînée coupe le faisceau en un point quelconque du trajet- 6. La figure 3 représente schématiquement le détecteur d'absorption d'infrarouge 2. L'agencement peut comporter une source d'infrarouge à modulation classique, munie d'une optique propre à fournir un faisceau concentré, et dont la longueur d'onde correspond à la longueur d'onde d'absorption du gaz à déceler. Dans la réalisation préférée, on utilise une source modulée 9 de lumière à laser He-Xe, parce que la lumière qu'elle fournit présente une bande qui coïncide étroitement avec là bande d'absorption d'II2s. La figure 4 représente en 10 la courbe d'intensité du laser et en il la courbe d'absorption de 2S. Les crêtés de ces lignes sont décrites dans l'article de H. C. Allen Jr. et autres paru dans le "Journal of Chemical Pby sics", 24, 35, 1956 et dans celui de W. L. Faust et autres paru dans la revue lthyplied Physics Letters", 1, 85, 1962. Le profil de gain du laser est élargi par effet Doppler et a une largeur totale au demi-maximum de 1,7 x iO8 Hz, si l'on suppose qu'il règne dans le tube à décharge du laser une température atomique de 500 E, comme décrit par C. E. N.Patel dans l'ouvrage Lasers, vol. 2, publié paros. S. Levine (I.arcel Dekker, Inc., New York), 135, 1968, tandis que la ligne d'absorption de H2S H2S est est élargie par la pression et a approximativement la forme d'une courbe de Lorentz, sa largeur totale, au 'lemi-maximun, étant environ 15 x 8 Es En appliquant un champ magnétique au laser, on sépare par effet Zeeman la courbe d'intensité en deux pics qui sont décalés, l'un vers le milieu de la courbe H2S et l'autre dans le sens opposé. le laser énet alors à deux fréquences ayant des polarisations circulaires opposées.On ajuste le champ magnétique de façon que la composante de fréquence la plus haute coïncide exactement avec le milieu de la ligne H2S. inti, si de l'hydre- gène sulfuré est présent dans l'atmosphère, le degré d'absorption de cette composante est élevé par rapport à celui d'absorption de la seconde composante.En faisant passer alternativement les deux lignes à une fréquence de modulation donnée, on module le signal de sortie du détecteur, dont l'amplitude est alors représentative de la quantité de H2S présente sur le trajet lumineux, On peut obtenir ce résultat en utilisant un ou plusieurs étalons qu'on peut accorder sur les deux fréquences ou en convertissant la radiation à polarisation circulaire en radiation polarisée dans un plan à l'aide d'une lame quart d'onde biréfringente, puis en faisant traverser à la radiation un organe faisant tourner son plan de polarisation. En variante, on peut comparer la transmission de la li gne de laser He-Xe à 3,6859 avec celle d' une autre ligne de la- ser He-Xe, par exemple celle à 3,9966 j'. On peut encore moduler l'intensité du champ magnétique d'accord pour faire prendre et quitter par modulation à la courbe de laser (première composante) l'état de concordance avec la courbe H2S. Les divers agencements modulateurs de faisceau de laser décrits ci-dessus sont tous placés à la sortie du laser. Toute fois, à l'exception du champ magnétique de décalage par effet Zeeman, ils peuvent aussi être placés dans d'autres sections de l'optique qu'on décrira, par exemple à l'entrée du détecteur. Corme on le voit encore sur la figure 3, le laser 9 est commandé par un modulateur d'attaque 12 pour fournir un faisceau de laser qu un miroir plan 1)7 réfléchit sur un second miroir 14. Le miroir 14 est commandé de maniera à projeter successivement le faisceau, pendant un certain temps, sur- chacun des réflecteurs catadioptriques 4. Le temps de projection du faisceau sur chaque réflecteur peut varier. siu niveau du miroir 13 et du miroir 14, le faisceau a un diamètre d'environ 1 ou 2 mm. Le miroir 13 a donc aussi un diåmètre de 1 à - mn. Du fait de la divergence du faisceau, le faisceau aJau niveau du réflecteur 4 si ce dernier est situé à 100 m environ du miroir 14, un diamètre de 10 à 20 cm et le faisceau réfléchi par le réflecteur 4 a un diamètre de 20 à 40 cm au niveau du miroir 14.Ce dernier peut avoir un diamètre correspondant, bien qu'une certaine perte sur le faisceau soit admissible1 Le faisceau réfléchi est renvoyé par le miroir 14 vers le miroir 17 mais, du fait que son diamètre est important par rapport à celui de ce miroir, il atteint en majeure partie un miroir 15, qui ltenvoie dans un télescope 16, lequel peut être du type Czssegrasn ou du type Newton. Le faisceau concentré traverse ensuite un filtre passe-bande 17 à bande étroite et atteint un détecteur d'infrarouge standard 18. Le filtre passe-bande élimine les radiations ambiantes dont les longueurs d'onde diffèrent de celle du laser 9 et réduit ainsi le niveau de bruit.Le détecteur d'infrarouge 18 peut être du type Pb-Se, In-As, pyro-électrique ou autre convenable. Son signal de sortie s'applique, après préamplification, à un amplificateur à déclenchement périodique 19, dont le signal de déclenchement périodique émane du modulateur d'attaque 12, et dont le signal de sortie constitue le résultat recherché. Le laser le télescope récepteur et le montage électronique peuvent être montés à l'intérieur et les miroirs à l'extérieur de la zone sous contrôle. L'application du détecteur d'absorption de faisceau de laser He-Ze fonctionnant a 3,6859 pour la détection de H2S n'est pas limitée aux usines de fabrication d'eau lourde et on peut l'étendre à la détection d'H2S dans l'atmosphère environnant toute espèce d'usine ou d'installation telle que d'extraction de gaz naturel. On peut aussi 11 étendre pour déceler la-présence de E2S dans tout gaz échantillon contenu dans une cellule d'absorption-de gaz, telle qu'une cellule de ME te, en projetant le faisceau de laser à travers la cellule. En fonctionnement, les miroirs 14 des détecteurs 2a et 2e forment normalement une section à commande commune de façon que tous les c8tés de la zone contrôlée soit balayés simultanément. Des miroirs 14 des détecteurs 2b et 2d sont aussi réunis en une section commune. On peut ainsi affecter aux sections des vitesses de balayage différentes et faire projeter le faisceau sur chaque réflecteur, par l'lune des sections, pendant 0,10 s environ pour opérer un balayage rapide et, par l'autre section, pendant 10 s environ pour rendre plus sensible la détection de doses infîmes de gaz. De plus, la commande des miroirs 14 peut être agencee pour laisser à l'opérateur toute latitude de choisir la vitesse de balayage et les réflecteurs à faire balayer. REVENDIChUIONS. 1. Installation de surveillance pour la détection de H2S caractérisée en ce qu'elle comprend : a) une source lumineu- se fournissant un faisceau concentré présentant au moins une longueur d'onde critique, correspondant à une ligne d'absorption par le gaz, et b) des récepteurs agencés pour recevoir le faisceau a pres qu'il a traversé un échantillon gazeux et pour indiquer la présence de R2S en fonction de l'absorption éventuelle de longueur d'onde critique. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte encore un moyen modulateur appliquant au récepteur associé un faisceau comportant alternativement la longueur d'onde critique et une longueur d'onde non critique, la concentration en R2S étant fonction de l'amplitude du signal de sortie du détecteur. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte encore : (a) des réflecteurs espacés du laser et (b) des moyens projetant le faisceau de laser sur les réflecteurs et le faisceau réfléchi sur les récepteurs, à travers l'échantillon gazeux. 4. Installation selon la revendication 3 et destinée au contrôle de l'atmosphère entourant une zone d'usine sous contr & e, caractérisée en ce qu'elle comporte : (a) une première série de réflecteurs montés à intervalles dans la zone sous contre et (b) un premier détecteur monté hors de la zone sous contrôle et placé en vue des réflecteurs, et en ce qu'un moyen détecteur projette cycliquement le faisceau sur chaque réflectasur. 5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les réflecteurs correspondant à un émetteur sont répar tis sur le demi-périmètre de la zone sous contrôle. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte encore : (a) une seconde série dé réflec;teurs montés à intervalles sur la seconde moitié du périmètre de la sone sous contrele et (b) un second détecteur situé hors de la zone sous contrôle et placé en vue directe des réflecteurs de la seconde série. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte encore : (a) une troisième et une quatrième série de réflecteurs montés à intervalles sur le périmbtre de ladite zone de façon que la troisième série chevauche environ la moitié de la première et de la seconde série et que la quatrième série chevauche les moitiés restantes de la première et de la seconde série , et (b) un troisième et un quatrième détecteur situés hors de la zone sous contrôle et placés en vue des réflecteurs de la troisième et de la quatrième série respectivement. 8. Installation selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le moyen directeur de faisceau comprend : (a) un premier miroir fixe, de diamètre approximativement égal à celui que le faisceau présente au niveau dc la source, monté de façon à réfléchir sous un angle préfixé le faisceau émanant de la source et (b) un miroir de balayage, de diamètre supérieur à celui que le faisceau présente au niveau de la source, ayant un montage mobile pour réfléchir cycliquement le faisceau qu'il re çoit du premier miroir sur chacun des réflecteurs. 9. Installation selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisée en ce que les réflecteurs sont rétroréfléchissants ou catadioptriques. 10. Installation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque récepteur comprend : (a) un télescope qui concentre le faisceau reçu des réflecteurs, (b) un moyen qui filtre le faisceau concentré et (c) un détecteur de lumière qui fournit un signal correspondant à l'intensité du faisceau filtré. 11. Installation selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen modulateur qui fait périodiquement varier la longueur d'onde de la lumière émise par la source. 12. Installation selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la source lumineuse est un laser He-Xe. 13. Installation selon l'une des revendications i à 12, caractérisée en ce que la longueur d'onde critique est d'environ 3,6859 g .