Brevet FR2339168A1 — publié le 19770819

La présente invention concerne un capteur destiné à la mesure de la teneur en composant d'un gaz opérant par spectrométrie infrarouge et notamment un capteur destiné à la mesure de la teneur en C02 de l'air. Les capteurs actuellement utilisés comprennent toujours, sur un même axe optique, les éléments fondamentaux suivants - une source S qui a pour but de fournir dans tout le domaine spectral d'analyse de l'appareil, un rayonnement généralement continu, - une cuve d'absorption remplie du gaz dont on veut mesurer la teneur, qui reçoit la lumière émise par la source et est délimitée par deux fenêtres qui sont cause d'incertitude dans les résultats obtenus ; en effet, le coefficient de transmission est de tordre de 85 %, pour une fenêtre ayant une épaisseur de i mm. - un filtre permettant d'isoler la radiation pour laquelle l'absorption du gaz dont on veut mesurer la teneur est maximale. Dans le cas du gaz carbonique, on isole généralement la radiation dent la longueur d'onde est égale à 4,3 o,i. un détecteur qui reçoit l1informa- tion transmise par la lumière et fournit en retour, un signal ;proportionnel au flux lumineux reçu à un instant déterminé - un dispositif de régulation de la température, de grande précision. Ce dispositif a pour but de supprimer la dérive du zéro, fluctuation du signal reçu en l'absence de lumière et qui constitue le niveau zéro. La séparation des fonctions rend de tels capteurs fragiles et encombrants. De plus, ces appareils sont croûteux à cause de la présence de la régulation de température. La présente invention a pour but de réaliser un capteur évitant ces inconvénients. A cet effet, l'invention concerne un capteur destiné à la mesure dd X teneur en ut composant d'un gaz opérant par spectrométrie (infrarouge), comportant une source de lumière (infrarouge), un tube d'alimentation en gaz à mesurer, une cuve d 'absorption du rayonnement (infrarouge), un filtre ne laissant passer que la bande de rayonnement (infrarouge) où l'absorption du composant est maximale, et un détecteur, capteur caractérisé en ce que la source de lumière (infrarouge) est commandée pour émettre par intermittance, le détecteur mesurant ainsi l'écart entre le flux lumineux reçu pendant les périodes de lumière et le flux lumineux reçu pendant les périodes d'obsci- rité. Le capteur selon la présente invention permet de mesurer la différence entre le flux lumineux reçu par le détecteur en présence de lumière et le flux lumineux reçu par ce même détecteur dans l'obscurité. En conséquence, il permet d'éviter le dispositif de régulation de la température et donc diminue de beaucoup le prix de revient des capteurs classiques et, simulta nément, permet de disposer d'un appareil beaucoup plus précis. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de lumière est alimentée par une tension en créneau dont la fréquence est choisie de façon à obtenir un pseudo équilibre sur chaque phase de fonctionnement. Selon une autre caractéristique de l'invention, le composant à analyser est du C02. Selon une autre caractéristique de l'invention, le capteur constitue un ensemble monobloc, çhaque élément étant rendu solidaire de son voisin1 au moyen de joints d'étanchéité et de dispositifs de serrage et de maintien Donc le capteur selon la présente invention est un appareil compact, totalement étanche vis-à-vis de I'extérieur et dont le montage des éléments : source, fenêtres, filtre, détecteur, est extrêmement simple et ne nécessite pas de réglage. Selon une autre caractéristique du capteur selon la présente invention, la source de lumière infrarouge est une ampoule comportant ou non en son centre un cache argenté circulaire et en ce que les parois de la cuve d'absorp- tion sont polies intérieurement pour canaliser le rayonnement vers le détecteur, améliorant ainsi la sensibilité de l'ensemble par accroissement du chemin optique dans la colonne de gaz absorbant. Cette disposition permet une utilisation maximale du faisceau lumineux. La cuve d'absorption sera choisie de préférence en aluminium, métal qui présente des qualités particulièrement intéressantes vis-à-vis de la réflexion du rayonnement infrarouge. En cas de nécessité, on peut le protéger par une anodisation brillante qui conserve presque totalement cette qualité. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la source de lumière infrarouge est une lampe dont le verre fait office de fenêtre de la cuve d'absorption. Cette disposition permet d'éviter la diminution de la sensibilité due à la présence de deux fenêtres des capteurs classiques. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le capteur est utilisable sous.haute pression et la source de lumière infrarouge est un filament de nichrome placé derrière une fenêtre. Ce capteur permet de faire des mesures sous haute pression. La localisation de la lumière émise par le filament peut être améliorée par un miroir parabolique simple du type lampe-torche du commerce. Le capteur selon la présente invention appliqué au C02 et son mode de fonctionnement seront décrits plus en détail à l'aide des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma d'un capteur classique - la figure 2 représente un capteur conforme à la présente invention - la figure 3 est une variante du capteur représenté sur la figure 2 pouvant faire dés mesures sous pression élevées ;; - la figure 4 est une courbe représentant la tension aux bornes de la source de lumière infrarouge en fonction de temps - la figure 5 est une courbe représentant le flux lumineux mesuré dans le cas où la cuve d t absorption ne contient pas de gaz absorbant en fonction du temps - la figure 6 est une courbe analogue à la figure 5 représentant les variations du flux lumineux dans le cas où lon remplit la cuve d'4bsorption avec un gaz absorbant. Selon la figure lfl un capteur conventionnel comprend, sur un même axe Opti-que-7 une source S émettant un flux de lumière infrarouge, un dispositif: de modulation M (facultatif), une cuve d'absorption C comprise entre deux fenêtres S1 et S2, un filtre F permettant d'isoler la radiation lumineuse pour laquelle l'absorption du gaz à mesurer est maximale, et un détecteur D qui indique le flux lumineux reçu. Selon la figure 2, le capteur selon la présente invention comporte - une source 1 qui est, par exemple, une ampoule présentant un verre sphérique 10 d'épaisseur 0,15 mm qui joue le rôle de première fenêtre. Une couche d'argent circulaire 11 est déposée sur le verre 10 de l'ampoule. L'alimentation de la lampe est réalisée par un dispositif électronique simple qui évite les effets de dérivé du zéro et sera décrit ci-dessous plus en détail. La lampe 1 est fixée à la cuve d'absorption du rayonnement infrarouge 2 au moyen d'un dispositif de fixation 3 et de joints d'étanchéité. Les parois internes 20 de la cuve d'absorption 2 de rayonnement. infrarouge sont polies de façon à canaliser le rayonnement vers le détecteur 4. il est particulièrement intéressant de choisir une cuve d'absorption 2 en aluminium, métal qui présente de bonnes qualités de réflexion du rayoonement infrarouge. En cas de nécessité, on peut protéger cette cuve par uneanodisation brillante conservant presque intégralement ses qualités de réflexion. La combinaison de la lampe 1, de son cache argenté Il et de la cuve 2 dont les parois 20 sont polies augmente la sensibilité optique du spectromètre par accroissement du chemin optique dans la colonne de gaz absorbant comme montré sur la figure 2. Le gaz à étudier entre dans la cuve d'absorption par. les tubes d'alimentation et de sortie 51 et 52. Ala sortie de la cuve d'absorption 2, le rayonnement émis par la lampe 1 traverse une fenêtre 6 qui assure l'étanchéité de la cuve et protège le filtre 7 qui isole et ne laisse passer que la bande de rayonnement infrarouge où l'absorption du gaz à étudier est maximale. Dans le cas du C02, le filtre isole la radiation de longueur d'ondes 4,3 # 0,1 . Le filtre 7 et la fenêtre 6 sont serrés sur la cuve d'absorption du rayonnement infrarouge au moyen d'un dispositif de serrage 8 dans lequel est logé le détecteur 4. Ce détecteur peut être, par exemple, une thermopjJe fabriquée par RTC, portant la référence 896, et contenue dans un boîtier standard du type T 0 5. Un ressort et une embase portant sur la figure de la référence générale 9 sont des tinés à maintenir en place le détecteur 4. Cette disposition permet d'obtenir un spectromètre monobloc robuste et parfaitement manipulable. Si l'on veut faire des mesures sous haute pression, on peut utiliser le spectromètre représenté sur la figure 3 qui est une variante de celui qui est représenté sur la figure 2. La lampe 1 est remplacée par un filament de nichrome placé derrière une fenêtre 12 (par exemple I R G Il fabriqué par SCHOTT). Dans ce spectromètre, comme précédemment le dispositif comportant le filament est fixé à la cuve d'absorption 2 du rayonnement infrarouge au moyen d'un dispositif de fixation 3 comportant des joints d'étanchéité. Le gaz à mesurer pénètre dans la cuve 2 par des orifices d'entrée et de sortie 51 et 52. Au sortir de la cuve, la lumière émise par le filament traverse une fenêtre 6 et un filtre 7 qui isole la radiation pour laquelle l'absorption du gaz à mesurer est maximale. Le filtre 7 et la fenêtre 6 sont fixés sur la cuve d'absorption 2 du rayonnement infrarouge au moyen d'un dispositif de serrage 8 dans lequel est placé le détecteur 4. La localisation peut être améliorée par un miroir parabolique simple type lampe-torche du commerce. Selon la figure 4, la lampe ou le filament émetteur de radiation infrarouge est alimenté par une tension en créneau. La figure 4 représente les variations de la valeur de cette tension aux bornes de la lampe ou du filament en fonction du temps. L'intensité du courant dans la lampe est réglée lors de l'étalonnage de l'appareil en fonction de la gamme de mesure souhaitée. I1 a été déduit, de plusieurs expériences, qu'il peut être particulièrement intéressant de choisir un temps d'allumage de 5 secondes et un temps d'extinction de 10 secondes. Ces valeurs étant les leurs minimales permettant d'obtenir un pseudo-équilibre su chaque phase de fonctionnement. La figure 5 représente le résultat des mesures transmis par le détecteur dans le cas où la cuve d'absorption ne contient aucun gaz absorbant. La figure 5 est une courbe qui représente en ordonnée le flux lumineux 0 mesuré et en abscisse le temps. Cette courbe montre que la hauteur h du pic qui correspond aux intervalles d'allumage est constante pour un gaz donné, quelles que soient les fluctuations du flux reçu pendant la période d'obscurité. Ce sont ces fluctuations qui constituent le phénomène de dérive du zéro des appareils classiques, phénomènes qui ne peuvent s'éliminer que par un contrôle strict de la température. La figure 5 montre un exemple de courbe de dérive du zéro dans laquelle I correspond à la dérive du seuil obscuritô. Si l'on relie par une courbe II les pics observés sur la figure 5, on obtient une courbe II déduite de la courbe I par translation et qui représente la dérive du niveau PI lumière. En conséquence, le spectromètre selon la présente invention permet de mesurer ltécart entre lumière et obscuritô, et permet donc de s'affranchir des dispositifs compliqués- de controle de la température pour éviter les phénom-ènes de dérive du zéro. La figure 6 représente une courbe analogue à celle représentée sur la figure 5 montrant les pics obtenus lorsque la cuve d'absorption ne contient pas de gaz carbonique et les pics obtenus dans le cas où la cuve d'absorption contient une concentration C1, en C02. Les hauteurs des pics dans le cas où la cuve contient ou ne contient pas de gaz carbonique sont nommées respectivement hO et hl. D'après la loi de Beer et Lambert, le rapport des différences de hauteur h des pics observés est proportionnel aux logarithmes de la concentration en gaz absorbant Cl hO - hi lo C1 k hO - h? Ainsi, selon la présente invention, on procède à une amplification logarithme du signal reçu par le détecteur, à une lecture sur enregistreur ou sur voltmètre digital à stockage de plusieurs mesures.L'étalonnage se fait, d'une part, par la détermination de hO en introduisant dans le spectromètre le gaz exempt de C02 (ou en faisant un vide partiel) et par la détermination d'un ou plusieurs points de la droite d'étalonnage avec des mélanges de gaz étalon. Le signal de référence hO doit avoir la valeur 100. Pour l'ajuster, on agit sur le courant de la lampe lorsque le gaz contenu dans la cuve n'est pas absorbant. Un moyen simple pour l'obtenir utilise ltétanchéité de la cuve et consiste à faire un vide partiel, par exemple 1 cm de mercure de pression residuaire. On sait que la concentration de C02 dans l'air est voisine de 0,03%. Le vide partiel le mènerait à 0,0004%, ce qui n'est pas sensible sur un tel appareil et est bien inférieur à l'erreur de mesure (plus ou moins 5%). Ce résultat peut être obtenu manuellement avec une seringue en matière-plastique de 50 cm3 munie' d'un robinet trois voies, actionnée une dizaine de fois. On peut aussi l'obtenir d'une façon automatisée à l'aide d'une petite pompe à vide. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'esemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10) Capteur destiné à la mesure de la teneur en un composant d'un gaz opérant par spectrométrie, comportant une source de lumière, un tube d'alimentation en gaz à mesurer, une cuve d'absorption du rayonnemen-t, un filtre ne laissant passer que la bande de rayonnement où l'absorption du composant e-st-maximale, e-t un détecteur, capteur caractérisé en ce que la source de lumière est commandée pour émettre par intermittence, le détecteur mesurant ainsi l'écart entre le flux lumineux reçu pendant les périodes de lumière et le flux lumineux reçu pendant les périodes d'obscurité. 20) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de lumière est alimentée par une tension en créneau dont la fréquence est choisie de façon à obtenir un pseudo-équilibre sur chaque phase de fonctionnement. 30) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le composant à analyserest du C02. 4 ) Capteur selon d'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu!il constitue un ensemble monobloc, chaque élément étant rendu solidaire de son voisin, au moyen de joints d'étancheité, et de dispositifs de serrage et de maintien. 50) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de lumière infrarouge est une ampoule comportant en son centre un cache argenté circulaire et en ce que les parois de la cuve d'absorption sont polies intérieurement pour canaliser le rayonnement vers le détecteur, améliorant ainsi la sensibilité de l'ensemble par accroissement du chemin optique dans la colonne de gaz absorbant. 60) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la cuve d'absorption est en aluminium. 70) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'auluminium est protégé par une anodisation brillante. 80) Capteur selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source de lumière infrarouge est une lampe dont le verre fait office de fenêtre de la cuve d-'1absorption. 9 ) Capteur selon l'une quelconque des revondications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est utilisable sous haute pression et en ce que la source de lumière infrarouge est un filament de nichrome placé derrière une fenêtre.