Brevet FR2311297A1 — publié le 19761210

La présente invention concerne la mesure de la concentration en vapeur d'eau contenue dans un gaz quelconque, y compris l'atmosphère, effectuée en général avec des instruments du type "hygromètre" I1 existe actuellement de nombreux types différents d'hygromètres, depuis l'hygromètre à cheveux qui utilise les propriétés mécaniques des cheveux et ses variations selon le degré hygrométrique, jusqu'aux hygromètres chimiques où la présence de vapeur d'eau modifie les propriétés électriques d'un composant chimique (tel que l'alumine, ou P205). Un autre type, dit "à point de rosée", mesure la température à laquelle on observe un dépot de vapeur d'eau sur une surface contrôlée thermiquement. Les inconvénients de ces hygromètres sont qu'ils sont, soit peu sensibles, soit extrêmement fragiles, ou encore qu'ils possèdent une grande inertie, une mesure durant plusieurs dizaines de secondes. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter les inconvénients cités plus haut. En effet, l'utilisation d'un nouveau procédé suivant l'invention permet d'obtenir une très grande sensibilité, en même temps qu'une grande solidité et une mesure pratiquement instantanée. I1 peut servir soit à mesurer de très faibles concentrations dans des gaz industriels, soit à mesurer des degrés hygrométriques dans une atmosphère. L'objectif de l'hygromètre à fluorescence ultra-violette est de mesurer dans un gaz des concentrations de vapeur d'eau, depuis les teneurs atmosphériques jusqu'à des concentrations absolues extrêmement faibles (109 à 1010 molécules H2O cm-3). Le fonctionnement de l'appareil est fondé sur le principe suivant': les molécules H20 sont cassées par des photons d'énergie suffisante pour que le radical OH se trouve dans un état excité 2z Ceci se passe si la longueur d'onde d'excitation X est plus courte que 1350 H20 + hv (X + H + OH* L'astérisque désigne l'état 2z La durée de vie de cet état excité est de l'ordre de 10-6 secondes.Cet état se désexcite en émettant un photon dont la longueur d'onde se situe vers 3000 : OH* + OH + h# (# ~ 3000 ) Donc, si on éclaire un gaz contenant de la vapeur d'eau avec une source connue d'ultre-violet lointain, il y a une émission lumineuse à 3000 a qui est proportionnelle à la concentration en H20, n(H20). Il suffit de mesurer cette émission pour déterminer n(H20). Il faut évidemment que le gaz dans lequel on veut mettre en évidence la vapeur d'eau n'absorbe pas trop le rayonnement incident. On peut ajuster le type de source au gaz considéré. 'Par exemple, pour N2 et 02 (a fortiori pour l'air), la radiation Lymanalpha (1216 A) de l'hydrogène convient parfaitement, grâce à la fenetre de transparence de 02 à cette longueur d'onde précise. L'appareil se compose d'une source de lumière 1 dans l'UV lointain, et d'un détecteur de lumière 3 sensible à 3000 , qui observe le volume éclairé par la lampe (voir figure 1). - Source de lumière Dans le cas de l'azote pur, ou d'un mélange N2-O2 tel que l'air, on peut utiliser une lampe à décharge, contenant de l'hydrogène sous quelques mm Hg de pression. Le spectre d'une telle lampe contient une inte'raieLyman alpha (1216 R), environ 1012 photons s-l. Cette lampe comporte une fenêtre en MgF2 scellée au AgCl par l'intermédiaire d'une coupelle d'argent. Pour isoler la raie Lyman alpha dans lespectre de la lampe, on rajoute un filtre interférentiel 5 déposé sur une lame de MgF2. Ce type de filtre a une bande passante d'environ 100 et une transmission de ~ 20% à 1200 . Une cellule photovoltaïque 4, interposée entre la lampe et le filtre, mesure l'intensité lumineuse totale de la décharge. On peut aussi utiliser un compteur à NO pour mesurer directement l'intensité Lyman alpha qui sort de la lampe. - Détecteur de lumière La sensibilité du détecteur de lumière doit être adaptée à la gamme de concentration attendue. Si l'on peut sans doute se contenter d'une cellule photovoltalque ou photoélectrique pour les fortes concentrations de H20, il faut utiliser un photomultiplicateur pour les mesures à très faible niveau, dans la gamme des très faibles concentrations. Dans tous les cas, il est préférable de placer un filtre interférentiel 6 devant le détecteur de lumière isolant une bande de X 100 X autour de 3080 R. Dans le cas d'utilisation du photomultiplicateur, on utilise un système de comptage des photons, ce qui permet de mesurer des niveaux extrêmement faibles. On fait en séquence une mesure lampe éteinte, puis lampe allumée. Le volume éclairé doit être placé dans une enceinte étanche à la lumière extérieure. La disposition géométrique de la source et du détecteur peut être adaptée à la concentration de H20 à mesurer, ainsi qu'à la nature du gaz dans laquelle on veut la mesurer. On peut rajouter un dispositif mécanique, permettant de faire varier la disposition relative de la source et du récepteur, donc la géométrie du volume de gaz vu et éclairé. La variation du signal recueilli à ~ 3000 R en fonction de la disposition géométrique fournituneinformation supplémentaire, utilisable en particulier si lton ne connaît pas exactement la nature du gaz dans lequel on veut mesurer la vapeur d'eau. Le dispositif et le procédé associé, objets de l'invention, peuvent être utilisés dans tous les cas où l'on veut déterminer la concentration absolue en vapeur d'eau dans un gaz, et également l'humidité relative dans une atmosphère quelconque. Les industries qui vendent du gaz, soit gaz naturel, soit gaz fabriqué industriellement, peuvent utiliser cette invention. On peut surveiller le degré hygrométrique des locaux industriels, des musées, des hôpitaux, des immeubles d'habitation. On peut aussi l'utiliser dans les'laboratoires, dans la recherche atmosphérique et dans les mesures de routine météorologique. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la concentration en vapeur d'eau contenue dans un gaz, caractérisé en ce que - on irradie ledit gaz par un rayonnement de longueur o d'onde inférieure à environ 1350 A, ce qui provoque la photodissociation partielle de la vapeur d'eau et donne naissance à des radicaux OH* excités, - on mesure l'intensité de l'émission produite à environ 3000 par la désexcitation desdits radicaux OH*, inten sité qui est proportionnelle à la concentrée cherchée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement par lequel on irradie le gaz possède une longueur d'onde de 1216 correspondant à la raie Lyman alpha de l'hydro- gène. 3. Hygromètre mettant en oeuvre le procédé de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend - une source de rayonnement ultraviolet de longueur d'onde inférieure à environ 1350 , ledit rayonnement étant dirigé dans le gaz dont on veut déterminer la concentra tion en eau, - un détecteur de rayonnement sensible aux environs de 3000 placé à proximité dudit gaz. 4. Hygromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la source de rayonnement est une lampe à hydrogène émettant o la raie Lyman alpha à 1216 A.