Brevet FR2300338A1 — publié le 19760903

La présente invention concerne un dispositif optique de détection de vapeur organique et un procédé d'utilisation de ce dispositif. Divers procédés de détection de vapeur organique sont connus dans l'art antérieur. - Un article paru dans Aerospace Medicine, sous le titre "Liquid Crystals" (cristaux liquides) Janvier 1969, pages 35 à 39 de Toliver, Roach, Roundy et Hoffman. Cet article décrit en particulier des cristaux liquides qui changent de couleur quand ils sont exposés à des vapeurs organiques. - Un article paru dans le"technical bulletin"de la société dite EM Chemicals sur les cristaux liquides décrit en page 7 l'utilisation de cristaux liquides pour l'analyse des gaz pour des vapeurs telles que l'acétone, le benzène, le chloroforme, l'éther de pétrole, etc..., à des niveaux de l'ordre de quelques parties par million. - le brevet américain nO ).050.982 décrit un appareil de mesure de point de rosée dans lequel lthumidité déposée sur un guide d'onde allongé change la capacité de transmission de lumière de ce guide d'onde et fournit ainsi une indication du point de rosée. les cristaux liquides ne sont pas utilisés. - Le brevet américain nO 3.409.404 décrit "des procédés et dispositifs analytiques utilisant des matériaux cristallins liquides cholestériquesnet concerne la détection et l'analyse de la matière, par exemple de gaz sur uné base qualitative et quantitative. Il est exposé que des effets réversibles sur les propriétés optiques des cristaux liquides ont été observés avec des solvants organiques courants, des amines, des alcools simples, et des acides organiques, etc.... - le brevet américain n" ).704.060 décrit "un dispositif de conduction de lumière pouvant être commandé électriquement" et le matériau de revêtement du guide tonde peut être un revetement à cristaux liquides. - Le brevet américain nO ).802.760 décrit des dispositifs pour faire varier les propriétés de guide d'onde à film mince" à l'aide d'un élément à cristaux liquides recouvrant une partie du guide d'onde. La présente invention concerne un dispositif de détection de vapeurs organiques comprenant (a) un guide d'onde allongé ayant sur sa surface une quantité suffisante de matériau cristallin liquide sensible à des vapeurs organiques pour modifier de façon mesurable les propriétés de transmission de lumière du guide d'onde par suite du contact de ce guide d'onde avec la vapeur, (b) une source lumineuse positionnée de façon à transmettre la lumière dans le sens de la longueur à travers le guide d'onde, et (c) des moyens pour mesurer l'intensité lumineuse sortant du guide d'onde.Ce dispositif est utile dans un procédé de mesure de vapeurs organiques comprenant les étapes consistant à:(a) exposer le guide d'onde à un gaz qui peut contenir la vapeur organique à laquelle les cristaux liquides sont sensibles, (b) transmettre la lumière à travers le guide d'onde, et (c) détecter la lumière transmise dans l'étape (b) à titre de mesure de la vapeur organique. La guide d'onde peut être revêtu d'un matériau cristallin liquide sensible à la vapeur organique, imprégné de ce matériau de cristaux liquides ou dans certains cas, peut contenir une cavité contenant ce matériau de cristaux liquides, pourvu que le guide d'onde et le matériau de cristal liquide ajouté transmettent de façon adéquate la lumière et, dans certains cas, le matériau cristallin liquide peut constituer des groupes réactifs liés au guide d'onde. Dans le cas dfun guide d'onde revêtu, le guide d'onde peut être plein ou creux, c'est-à-dire un cylindre creux ou plein. Dans le cas d'un cylindre creux, le revêtement peut être sur les surfaces interne ou externe ou sur les deux, mais normalement les extrémités des barreaux creux ne seront pas revêtues mais plutôt, seulement la zone circonférentielle sauf dans certains cas où l'on peut souhaiter faire passer la lumière à travers un revêtement sur les extrémités pour absorber certaines longueurs d'onde lumineuses. De façon évidente, la quantité de matériau cristallin liquide sur le guide d'onde doit être suffisante pour fournir une modification mesurable de la transmission lumineuse sur la gamme de concentrations de vapeur organique que le guide d'onde est choisi pour détecter. Las guides d'ondes peuvent être constitués d'un matériau transparent tel que le saphir, le verre, le pyrex ou d'autres matériaux transparents minéraux; ou de matières plastiques transparentes telles que le polystyrène, le poly-a-méthylstyrène, le polyméthacrylate de méthyle, ou d autresmatières plastiques transparentes Las guides d'ondes peuvent être de toute forme et dimension convenables mais pour une plus grande sensibilité, seront normalement allongés dans le sens du passage de la lumière. Des guides d'ondes cylindriques, parfois appelés fibres optiques seront normalement utilisés; toutefois, des fibres ou barreaux à section carrée, rectangulaire, ovale ou autre peuvent être utilisés. Le premier article cité parmi les documents de l'art antérieur paru dans Aerospace Medicine décrit divers cristaux liquides et leur propriété de détection de vapeurs organiques. Des mélanges de cristaux liquides, du chlorure de cholestéryle et une proportion 60/40 de carbonate d'oléyle et de cholestéryle et de nonanoate de cholestéryle ont été utilisés pour détecter du chloroforme, du benzène et du cyclohexane. Egalement, un mélange de cristaux liquides, du butyrate,du nonanoate et de l'érucate de cholestéryle a été utilisé pour détecter les mêmes vapeurs organiques. la source lumineuse peut être une source lumineuse disponible commercialement et peut être une source de lumière sensiblement blanche ou peut être colorée ou sensiblement monochromatique dans l'infrarouge, l'ultraviolet, le jaune, l'orange, le vert, le bleu, ou d'autres gammes de couleur; toutefois, des filtres peuvent être utilisés pour obtenir de la lumière colorée. De la lumière monochromatique de diverses couleurs peut être fournie par des diodes photo-émettrices (IED). Une couleur particulière telle que le vert peut être la plus souhaitable selon la couleur ou la composition du revêtement déposé sur le guide d'onde. Las objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation faite en relation avec les dessins joints dans les quels La figure l représente des modèles schématiques d'exem zende guides d'ondes transmettant la lumière selon la présente inven tiono La figure 2 est un diagramme schématique d'un dispositif selon la présente invention; et La figure 3 est une vue schématique détaillée d'un système optique selon la présente invention. La combinaison guide d'onde-revêtement peut etre choisie de sorte que l'indice de réfraction du revêtement soit supérieur ou in férieur à celui du guide d'onde. Un indice de réfraction inférieur est normalement utilisé dans les applications autguidesdlonde opti que,et entralnerait dans le guide d'onde 11 muni du revêtement 12 le trajet représenté en figure lA pour un faisceau lumineux 15. L'utilisation d'un revêtement d'indice de réfraction plus élevé que celui du guide d'onde fournirait le trajet représenté en figure 1B pour le faisceau lumineux 13. la figure lC représente le cas où les indices du revêtement et du guide d'onde sont sensiblement égaux. Bien que l'une quelconque des distributions d'indice puisse être utilisée , le modèle de la figure lA fournirait une plus faible sensibilité puisque les interactions d'ondes évanescentes surviennent seulement dans la région d'interface barreaureveAtement. Dans le cas des figures 1B ou 1C, le rayonnement est transmis à travers tout le revêtement et de cette façon permet d'effectuer des mesures spectrophotométriquesd'état solide in situ.Las figures 1A, 1B et 1C représentent également à la sortie du faisceau lumineux un diffuseur 14 suivi d'un détecteur 15. Pour mesurer la transmission de lumière, un instrument ou dispositif a été prévu et construit pour fournir des mesures analytiques quantitatives. Ce dispositif particulier utilise des barreaux de verre de 0,9 à 1,) mm de diamètre et de 10 mm ou de 20 mm de long. Un diagramme schématique représentant les composants fondamentaux du dispositif est représenté en figure 2. Dans cette figure, les composants successifs sont les suivants 1.Source lumineuse constituée d'une lampe à filament de tungstène; 2. dispositif optique condenseur pour produire une lumiè re pratiquement collimatée; 5. filtre de sélection de longueur d'onde; 4. ouverture annulaire pour bloquer les rayons lumineux axiaux; 5. condenseur pour produire un cône creux de rayons lumi neux; 6. hémisphères de couplage et ouverture pour introduire des rayons lumineux selon un angle élevé dans le bar reau; 7. monture de barreau pour positionner avec précision des barreaux par rapport à l'ouverture tout en présentant un minimum de contact de surface; 8. détecteur constitué par exemple d'une photodiode au silicium; 9. amplificateur opérationnel fonctionnant comme conver tisseur courant-tension; 10. voltmètre numérique pour lecture de pouvoir transmissif relatif. Dans cette figure, on a également représenté un miroir de renvoi optionnel 16. Un diagramme optique schématique est représenté en figure 3, les dimensions de barreau étant exagérées pour représenter le fonctionnement fondamental de l'instrument. La lumière en-provenance de la lampe de tungstène est collimatée en utilisant à la fois des miroirs et des objectifs condenseurs. la lumière passe ensuite par un filtre de verre absorbant l'énergie et un filtre de sélection de couleur variable. La miroir à surface avant réflectrice 16 défléchit la lumière de 90" dans la direction verticale. Une ouverture annulaire 20 bloque les rayons lumineux axiaux et définit la gamme d'angles coniques pour les rayons lumineux se propageant dans les barreaux de quartz.Le deuxième étage de condenseur 21 convertit le faisceau collimaté incident en un cane lumineux creux fortement côn- vergent. Ia lentille hémisphérique 22 et l'ouverture annulaire 20 permettent l'introduction de lumière dans le barreau 23 suivi du diffuseur 14 et du détecteur 15. Après des réflexions multiples sur le barreau, la lumière sort du côté de la face supérieure et est dispersé par le diffuseur 14, une partie de la lumière se dirigeant vers le détecteur à photodiode au silicium 15. La photodiode fonctionne dans le mode photo voltaSque, l'amplificateur opérationnel 9 agissant en tant que puits de courant pour miniser la tension aux bornes de la diode. La sortie de l'amplificateur est une tension à basse impédance proportionnel le au courant d'entrée sur une gamme de lO ll -71 à 10 7 ampère . Une tension de sortie convenable pour un voltmètre numérique de 200 mV pleine échelle est choisie par un commutateur à décades. En utilisation, la quantité de lumière transmise à travers le barreau après l'opération de reveAtement mais avant l'exposition à une vapeur organique est d'abord enregistrée par le dispositif. Quand le revêtement est exposé à une vapeur organique à analy ser, des changements physiques surviennent dans le revetement > et la transmission lumineuse à travers le guide d'onde varie en relation avec la concentration de vapeur organique. Ce phénomène est expliqué par les théories de guide d'onde bien connues qui ont été décrites en particulier par Kapany dans l'ouvrage intitulé "fixer Optics" (optique des fibres) Academic Press, New York, 1967. La facteur essentiel est que l'angle critique audelà duquel les rayons lumineux incidents ne sont plus transmis par le barreau est donné par ec = n 1/nu où nO, indice de réfraction du Darreau,est est supérieur à nl, indice de réfraction du revetement.Ainsi, le guide d'onde reveztu agit comme amplificateur sensible à la lumière dont l'analogue électrique est un amplificateur à tubesà vide ou à transistorsdans lequel un petit changement sur la surface externe du barreau commande un fort changement de la lumière transmise par ce barreau. La composition du matériau cristallin liquide revêtant le guide d'onde ou incorporé dans un guide d'onde est modifiée pour détecter des vapeurs organiques distinctes et/ou-des quantités variables de vapeurs organiques. Ainsi, en prévoyant une série de guides d'ondes muni de revêtements sensibles à diverses vapeurs organiques ou à des quantités de vapeurs organiques distinctes, on peut choisir un guide d'onde pour l'utiliser dans le dispositif selon la présente invention, adapté à la vapeur désirée ou à la quantité détecter les limites des matériaux cristallins liquides disponibles et/ou qui peuvent être fabriqués.Dans la plupart des cas, le matériau cristallin liquide sur le guide d'onde subira des changements de couleur par suite de son exposition à la vapeur organique et de fortes sensibilités seront fournies par les changements de couleur; toutefois, le dispositif selon la présente invention mesurera tout changement optique affectant la transmission de lumière et résultant de changements dans les propriétés physiques du matériau cristallin liquide par suite du contact avec des vapeurs organiques, détectant des changements d'indice de réfraction, d'absorption, et/ou de dispersion. La partie de détection de lumière de l'appareil peut bien sûr être modifiée pour détecter le changement de couleur lui-meme dû au contact avec la vapeur organique. Quand la vapeur n est plus en contact avec le guide d'onde, la couleur revient à la couleur initiale qui peut être incolore avant le contact à la vapeur. On souhaite fréquemment mesurer la concentration de vapeurs organiques présentes dans l'atmosphère. Ceci est particulièrement vrai dans les cas où il faut déterminer si les limites de sécurité établies par l'organisme dit OSHA sont dépassées ou non. Pour l'instant, il existe de nombreuses méthodes qui peuvent être utilisées, par exemple la chromatographie gazeuse, dans l'infra- rouge ou autre. Toutefois, toutes ces techniques nécessitent une instrumentation coûteuse et complexe pour une surveillance en temps réel. D'autres procédés impliquent le piégeage des vapeurs dans une substance telle que du charbon actif, le transfert à un laboratoire du récipient contenant les vapeurs piégées, et l'analyse ultérieure par des procédés appropriés. Bien que cette technique soit plus simple et moins coûteuse pour réunir des vapeurs, elle fournit seulement une valeur moyenne dans le temps et non pas une analyse en temps réel. On a trouvé qu'il était possible de détecter la présence de vapeurs organiques dans l'air en utilisant un guide d'onde revêtu d'un mélange de cristaux liquides. La présente invention recouvre l'utilisation des guides d'ondes optiques revêtus de cristaux liquides et/ou de mélanges sensibles à des vapeurs organiques. la présente invention se base sur les faits suivants un matériau cholestérique et/ou un mélange de matériaux cholestériques qui sont colorés à la température de fonctionnement souhaitée sont appliqués à un barreau de verre de qualité optique qui agit en tant que guide d'onde. La quantité de lumière transmise avant l'exposition à de l'air contaminé par des hydrocarbures ou d'autres matières est relativement constante de sorte que le signal en provenance d'un détecteur tel qu'une photodiode actionnéé dans le mode pho tovoltaCque est également relativement constante. L'introduction d'air contenant une vapeur organique amène le matériau cristallin liquide cholestérique enroulé en hélice à modifier ses caractéristiques de transmission lumineuses et de couleur.Ceci entratne un changement d'indice de réfraction qui modifie la quantité de lumière sortant du guide d'onde. Ainsi, une faible quantité de vapeur organique entrain un grand changement dans la lumière transmise par le barreau. De nombreux mélanges de cristaux liquides se sont avérés fonctionner pour cette application, différents mélanges produisant différentes couleurs. L'un des mélanges fournissant les meilleurs résultats est un mélange commercial dit Licrystal 918D fabriqué par la société dite S. 2derck de Darmstadt, Allemagne Fédérale. Ce mélange est décrit comme un indicateur de température 17/24 Licristal, dissous à 10 % dans du l,l,2-trichlorotrifluoroéthane, rouge à 17 C, vert à 21 C et bleu à 24 C qui est fourni en emballages standard de 50 ml. Les guides d'ondes sont plongés dans la solution de Licristal et le solvant s'évapore laissant le revêtement de matériau cristallin liquide, ou bien la solution peut être appliquée par brossage ou pulvérisation. Les guides d'ondes revêtus d'un revêtement mince de ce mélange ont été exposés à plusieurs vapeurs différentes. Du cyclopentane ne fournissait pas de réponse, tandis que du chlorure de méthylène et de l'éthanol en fournissaient. Ces deux dernières vapeurs ont été obtenues simplement en faisant passer de l'air sur ces deux liquides à température ambiante. Les résultats suivants ont été obtenus. Réponse du chlorure de méthylène à 22,5 C mV mV CH2Cl2 Air Filtre % de changement 74,1 68,6 Aucun 8,0 57,2 55,7 Rouge 2,7 109,5 75,8 Orange/jaune 40,2 212,0 125,7 Vert 71,4 thanol à 24,00C mV mV C2H5OH Air Filtre % de changement 71,0 69,5 Aucun 0,72 54,8 55,2 Rouge -0,72 105,4 92,5 Orange/jaune 14,2 212,5 159,1 Vert 6o,o Le moyen de surveillance et d'indication de température décrit présente les avantages suivants 1. I1 fournit une façon simple et rapide de surveiller la présence de vapeurs organiques et d'autres matériaux qui provo que un changement de couleur dans des mélanges cristallins liquides dont le guide d'onde est revêtu. 2. I1 permet la détection de faibles quantités de matériaux dans un milieu gazeux qui en lui-mEme ne réagit pas avec le guide d'onde revêtu. 5. I1 peut facilement être utilisé pour commander une fonction d'arrêt-marche directement à l'aide du signal de sortie. 4. La sensibilité peut être réglée en modifiant la longueur du barreau ou l'angle selon lequel la lumière pénètre dans le barreau. 5. I1 peut Autre utilisé comme moyen de surveillance portatif. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaltront à lthomme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de détection de vapeurs organiques, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un guide d'onde allongé ayant sur sa surface une quantité suffisante de matériau cristallin liquide sensible à une vapeur organique pour modifier de façon mesurable la capacité de transmission lumineuse du guide d'onde par suite de la mise en contact du guide d'onde et de la vapeur; (b) une source lumineuse positionnée pour transmettre de la lumière dans le sens de la longueur du guide d'onde; et (c) des moyens de mesure de la lumière sortant du guide d'onde. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'onde est muni d'un revetement desdits cristaux liquides sur sa surface périphérique. 3 - Procédé de détection de vapeur organique, caractérisé en ce qu'il comprend les etapes suivantes (a) exposer un guide d'onde ayant sur sa surface une quantité suffisante de matériau cristallin liquide sensible à una vapeur organique pour modifier de façon mesurable la capacité de transmission de lumière de ce guide d'onde par suite de sa mise en contact avec ladite vapeur ou un gaz qui peut contenir cette vapeur à laquelle les cristaux liquides sont sensibles, (b) transmettre de la lumière à travers le guide d'onde après la mise en contact de l'étape (a); et (c) détecter la lumière transmise dans l'étape (b) en tant que rnesure de la vapeur organique. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le guide d'onde est muni d'un revêtement de cristaux liquides sur sa partie périphérique. 5 - Guide d'onde,caractérisé en ce qu'il comprend à sa surface une quantité suffisante de matériau cristallin liquide sensible à une vapeur organique pour modifier de façon mesurable la capacité de transmission de lumière de ce guide d'onde par suite de sa mise en contact avec ladite vapeur. 5 - Guide d'onde selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend le revêtement de matériau cristallin liquide sur sa surface périphérique.