Brevet FR2343246A1 — publié le 19770930

L'invention est relative à un appareil photométrique à flamme, pour la détection de polluants divers dans un milieu gazeux oxygéné, lequel appareil comporte, d'une part, un brûleur qui est loge dans un corps creux et où s'effectue en deux étages la combustion d'hydrogène provenant d'une source associée à l'appareil, cette combustion étant produite par réaction avec le milieu gazeux oxygéné qui est mis en circulation par une pompe d'aspiration branchée sur le corps creux et, d'autre part, au moins un dispositif d'analyse de flamme essentiellement constitué d'un photomultiplicateur qui vise, à travers un filtre interférentiel, la flamme produite au premier étage du brûleur, ctest-à-dire l'étage où, par rapport à l'oxygène du milieu gazeux, l'hydrogène arrive en excès pour la formation stoechiométrique de lteau. Un tel appareil est décrit dans le brevet français n" 71.26793 (publication n" 2.154.812) et dans son premier certificat d'addition n" 72.45572 (publication n" 2.212.040), tous deux au nom du demandeur. L'appareil conforme à ce brevet français n" 71.26793 a pour but de détecter les produits phosphorés dans l'atmosphère ambiante qui constitue alors le milieu oxygéné susvisé.Dans-ce cas, le filtre interférentiel est centré sur la longueur d'onde de la principale émission du phosphore, soit 526 mMv. L'appareil peut comporter un deuxième photomultiplicateur branché sur le même brûleur et destiné à capter le signal lumineux, au travers d'un filtre interférentiel centré sur une autre longueur d'onde (celle d'une émission parasite previsible, ou celle d-'une autre raie d'émission du phosphore).Le susdit certificat d'addition n" 72.45572 élargit les possibilités d'utilisation de cet appareil en proposant de substituer, au filtre interférentiel sensible au phosphore, un filtre interférentiel centré, selon le cas, sur la longueur d'onde caractéristique du soufre (396 m M), du sodium (589 m#), du carbone (516,5 mo*) ou de l'indium t451 mssv). Dans le brevet français n" 71.26793, il a déjà été proposé de chauffer le milieu gazeux oxygéné (atmosphère) en le faisant passer par un tuyau à l'intérieur du corps creux entourant le brûleur avant de l'introduire dans ce dernier, de façon à permettre la détection de produits peu volatils qui, sans cela, risqueraient de s'adsorber (avec ou sans action de l'eau susceptible de se condenser) sur une certaine longueur de canalisations froides. Ceci entraîne évidemment un réchauffement supplémentaire du corps de l'appareil.Comme le photomultiplicateur qui est porté par ce corps est vulnérable aux températures élevées, on essaie de le protéger en intercalant un verre anti-calorique entre la flamme et le photomultiplicateur mais, un telverre n'assurant qu'une protection restreinte, on est obligé de limiter la température à l'intérieur du corps de l'appareil. On se trouve donc devant deux exigences contradictoires : augmenter la température de l'appareil pour en améliorer la sensibilité et diminuer cette température pour protéger le photomultiplicateur. L'invention a pour but de créer un appareil détecteur où les températures de fonctionnement puissent être augmentées sans que son ou ses photomultiplicateurs soient exposés à des températures exces slaves . A cet effet, l'appareil photométrique conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il est agencé de façon que le corps du brûleur atteigne, en régime stable, une température au moins égale à 100 C, généralement de l'ordre de 1200C, et en ce que le photomultiplicateur est monté à l'écart de cé corps en étant relié optiquement à ce dernier par un conduit de lumière à fibres optiques, le filtre interférentiel étant placé à la fin de ce conduit de lumière, c'est-à-dire à l'entrée du photomultiplicateur. Selon un mode de réalisation avantageux, le corps du brûleur est garni de résistances électriques de chauffage propres à être mises sous tension lorsque l'appareil est en fonctionnement. Le but que l'on s'était fixé est donc bien atteint puisque, du fait de son éloignement, le ou chaque photomultiplicateur est soustrait aux températures élevées du corps de l'appareil. A cet avantage d'ordre thermique, l'invention associe de façon inattendue l'avantage suivant qui est d'un ordre tout à fait différent. Etant donné que les conduits de lumière à fibres optiques ont un faible diamètre transversal et que le filtre interférentiel, relativement encombrant, est éloigné du corps de l'appareil détecteur, il devient possible de disposer de façon rayonnante autour de l'appareil plusieurs photomultiplicateurs accordés respectivement à des longueurs d'onde différentes, c'est-à-dire à des polluants de natures différentes. il est même possible d'associer à un même conduit de lumière partant du corps creux deux ou plusieurs photomètres, en branchant ceux-ci sur le conduit de lumière considéré par l'intermédiaire d'une fourche de type bien connu dans la technique des fibres optiques.Au contraire, selon le susdit brevet n" 71.26793 et son premier certificat d'addition, le filtre inter féren'@el du photomul@i@licateur est accolé directement au corps de @'apparei et son encombrement est tel qu'il est difficile d'associer deux photomultiplicateurs sur le même appareil et en tou cas pratiquement impossible de porter ce nombre au-delà de deux. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, l'appareil comprend une canne de prélèvement d'où partent en paral@@le un conduit de dérivation d'air primaire et un conduit de dérivation d'air secondaire; le conduit de dérivation d'air primaire est constitué par un court tube rectiligne débouchant dans une pièce creuse où peut être logé un filtre anti-aérosol, laquelle pièce est montée 1 l'intérieur d'un bloc métallique muni de résis- tances de chauffage et disposé au-dessus d'une paroi transversale étanche du corps creux; le brûleur comprend une buse intérieure munie d'un gicleur de réglage de l'air primaire et une buse exté- rieur entourant coaxialement la buse intérieure de façon à limiter avec celle-ci une chambre annulaire communiquant avec la source d'hydrogène; le tube rectiligne, la pièce creuse et le gicleur sont alignés dans cet; ordre sur un axe vertical1 de haut en bas; le conduit de dérivation d'air secondaire débouche à l'intérieur du corps reux; et d'autres résistances de chauffage sont prévues sur ce corps creux au-dessous de la susdite paroi transversale. L'invention va etre maintenant décrite plus en détail à l'aide du mode de réalisation représenté aux dessins annexés. Tes fig.1 et 2 de ces dessins montrent, en coupe axiale verti@aie, les deux parties essentielles de l'appareil photométrique à flamme conforme à ce mode de réalisation. La fig.3 est une coupe horizontale selon la ligne III-III de la fig. 1. La fig.4 montre schématiquement l'installation de détection dont fait partie l'appareil photométrique des s et 2. En e cul concerne l'instalation de détection dans son ensemble on la construit de la maire décrite dans le susdit certificat d'addition n 72.45572. Comme le montre la fiq.4 ci-annexce, on fait comprendre à cette installation une canne de prélèvement d'air 1 (ou autre milieu gazeux oxygéné), une pompe ou turbine d'aspira tlon 2, une conduite principale 7 reliant la canne a à l'entrée de la pompe d'aspiration 2, un corps creux 4, un conduit de dérivation d'air primaire 5 et un conduit de dérivation d'air secondaire 6 pa-tant tous deux de l canne 1 et aboutissant tous deux à l'inté rieur du corps creux 4, un conduit de retour 7 partant du corps creux 4 t relié à la conduite principale 3 par l'intermédiaire d'une vanne réglable 8, une sourie d'hydrogène 9 (généra@ement une bouteille munie d'un détendeur) qui a@outit à l'intérieur du corps 4, un brûleur à deu > étages (non montré à la fig.4) qui est logé à l'intérieur du corps creux 4 et un photomultiplicateur 10 destiné à analyser la flamme du brûleur.L'air aspiré dans la canne de prélèvement 1 est ainsi séparé en trois doits : un premier débit (0,5 à 1,3 litre/mn suivant le cas) arrivant au premier étage du brûleur par le conduit 5; un deuxième débit (1 à 2 I/mn) arrivant au deuxième étage du brûleur par le conduit 6; un troisième débit (8 à 10 1/mn) qui court-circuite le brûleur en empruntant directement la conduite principale 3. On obtient ainsi dans la canne de prélèvement i un débit total de l'ordre de 10 1/mn qui est bien plus important que le débit utile qui arrive au brûleur, ce qui donne au niveau de celui-ci une meilleure reproductibilité de la concentration des polluants dans l'atmosphère ambiante que si la pompe 2 n'aspirait que le débit utile.En agissant sur la vanne réglable 8, on peut régler la proportion du débit utile (conduits 5 et 6) par rapport au débit total prélevé par la canne 1 et aspiré par la pompe 2. Le circuit gazeux qui vient d'être décrit est gé néralement complété par un condenseur il qui est monté sur le conduit de retour 7 pour recueillir l'eau formée dans le brûleur et par une sortie d'air 12 montée sur le refoulement de la pompe 2. Le sens de circulation de l'air (ou du mélange d'air et d'eau entre le corps 4 et le condenseur 11) est schématisé par des flèches à la fig.4. A la fig.4, on a encore montré schématiquement en 13 le bloc d'alimentation électrique de l'installation, en 14 le système de régulation du moteur électrique entrainant la pompe d'aspiration 2, en 15 l'alimentation électrique à haute tension du photomultiplicateur 10, en 16 le groupe électronique de mesure quI ccnstitue la sortie du photomultiplicateur 0, en 17 le groupe électronique de réallumage automatique de l'éclateur électrique 18 qui provoque l'allumage du brûleur, et en 9 un manomètre évaluant la dzpression à l'intérieur du corps creux 4. Si l'on se reporte maintenant au dessin détaillé de la fig.1, on voit que le corps :reu: ' est formé rieur corps porte-buses 20, d'un corps de brûleur 21 et d'un c > uvtrCle 22 qu sont fixés ensemble par des vis (non montrées). A l'extré@ité aval de la @anne 1 est vissé un raccord triple 23, avec interposition d'une plaque de support 24. Du raccord 23 partent, latéralement, la conduite principale 3 et ie conduit de dérivation 6 de l'air secondaire et, axialement, un tube rectiligne constituant le conduit de dérivation 5.Ce tube aboutit dans une pièce creuse 25 qui traverse axialement un bloc métallique 26 (voir aussi la fig.3), lequel est fixé au corps porte-buses 20 à l'aide de vis 27 et est généralement fait en laiton. Le corps porte-buses 20 est muni d'un6rifice 28 par lequel débouche le conduit de dérivation 6. Le brûleur 29 est formé de deux buses coaxiales, savoir une buse intérieure 30 et une buse extérieure 31. La buse intérieure 30 est aligne avec le passage intérieur 32 de la pièce creuse 25 et porte un gicleur 33 destiné à régler le débit de l'air primaire arrivant par le conduit de dérivation 5. Un filtre anti-aérosol 34 peut être logé dans le passage 32 au cas où l'on ne désire doser que des vapeurs; ce filtre est alors pincé entre celles des extrémités de la pièce 25 et de la buse intérieure 30 qui se font face La buse extérieure 31 est vissée dans une partie filetée intérieurement qui appartient à un manchon 35 solidaire du corps 20, ce manchonoervant aussi à guider la buse intérieure 30. Un joint d'étanchéité 36 est serre entre un épaulement de la buse extérieure 31 et l'extrémité libre du manchon 35.Ce dernier est relié à la partie extérieure du corps 20 par un fond étanche 37 qui est traversé de façon étanche par les vis 27. Les deux buses 30 et 31 limitent entre elles une chambre annulaire 38 dans laquelle débouche, par un orifice non représenté, le conduit de sortie 39 (voir fig.3) de la source dthy- hydrogène 9 (représentée à la fig.4). La buse extérieure 31 est coiffée par un manchon en verre réfractaire 40 qui débouche à l'inté- rieur du corps de brûleur 21, au niveau d'électrodes d'allumage 46 alimentées par l'éclateur 18. Au niveau des extrémités libres des buses 30 et 31, le corps 21 possède une fenêtre de visée 41 dont le rôle apparaîtra ci-après. Cela étant, conformément à l'invention, l'appareil photométrique est agencé de façon que le corps 4 du brûleur- atteigne, en régime stable, une température au moins égale à 100 C, généralement de l'ordre de 1200C, et le photomultiplicateur 10 est monté à l'écart de ce corps en étant relié optiquement à ce dernier par un conduit de lumière à fibres optiques 42 (dont en-a représenté les deux ex trémités aux fig.1 et 2-respectivement). Selon le mode de réalisation représenté à la fig.1, les corps 4 est garn de résistances électriques de chauffage 43 et 44, propres à être mises sous tension lorsque l'appareil est en fonctionnement. Les résistances 43 sont montées dans le bloc 26 (voir fig.1 et 3) tandis que les résistances 44 sont montées dans le corps de brûleur 21 (voir fig.1). Elles sont de préférence disposées en grappes parallèles à l'axe géométrique commun au corps 4 et aux buses 30,31. On a représenté en 45 à la fig.1 les plaques de raccordement électrique servant à alimenter ces résistances. Une thermistance 47 (fig.3), montée à l'intérieur du bloc métallique 26, sert d'élément thermométrique à un thermostat (non montré) qui règle l'alimentation des résistances 43,44 de façon que le corps creux 4 reste dans les limites de température indiquées ci-dessus. Dans sa position d'utilisation (qui est représentée à la fig.1), le corps de brûleur 4 est disposé verticalement de façon que l'air primaire y arrive de haut en bas par le tube rectiligne formant le conduit 5. Ce tube n1a qu'une très faible longueur à l'extérieur de la pièce métallique 25 et les buses 30,31 sont disposées contre cette pièce. L'ensemble du tube formant le conduit 5, de la pièce 25 et des buses 30,31,dont l'axe est vertical, est donc très court; Dans la fenêtrede visée 41 (fig.1) est logé un corps d'optique 48 portant un jeu de lentilles 49 dont l'axe X-X rencontre à peu près à angle droit l'axe géométrique des buses 30,31, le point de rencontre étant situé légèrement au-dessous de l'extrémité libre de celles-ci, c'est-à-dire au centre de la zone où se forme la flamme primaire.Le jeu de lentilles 49 est agencé pour former l'image de cette flamme sur la face d'entrée du conduit de lumière 42, lequel est maintenu contre le corps d'optique 48 à l'aide d'une bague isolante 50. Comme le montre la fig.2, le photomultiplicateur 10 est logé dans un corps 51, avec interposition d'un blindage 52. Le conduit de lumière 42 est relié au corps 51 par un support d'optique 53 qui contient une lentille 54 et un filtre interférentiel 55. Ce filtre interférentiel, qui est situé entre cette lentille 54 et le photomultiplicateur 10, est centré sur la longueur d'onde de la principale émission du polluant à détecter (phosphore par exemple). Le plan focal de la lentille 54 coricide avec l'extrémité de sortie du conduit de lumière 42. Comme le montre en trait mixte la fig.1, on peut dériver du conduit de lumière 42, à l'aide d'une fourche ou séparateur 56, un second conduit de lumière 42a aboutissant à un photomultiplicateur G-J:- est identique au photomultiplicateur 10 sauf que le filtre in terfêrentiel 55 de celui-ci est remplacé par un filtre centré sur la l-ongtlrur d'onde d'émission principale d'un autre polluant. De plus, du face que filtre interférentiel 55 est placé à l'écart du corps 4 et que les fenêtres de visée 41 ont un encombrement plus faible que les filtres interférentiels 55, il est possible de ménager sans difficultés plusieurs fenêtres de visée 41 sur le corps de brûleur 21. On obtient ainsi un appareil photométrique dont le fonctionnement est le suivant. Four mettre l'appareil en ordre de marche, on met sous tension les résistances de chauffage 43,44. Dès que le corps 4 a atteint sa température de fonctionnement telle qu'elle est éaluée par la thermistance 47, on peut mettre l'appareil en marche par ouverture de la source d'hydrogène 9 et par lancement du moteur de la pompe d'aspiration 2. Il est ainsi aspiré par la canne de prélèvement 1 un débit important de l'air à contrôler, débit qui se partage, de la manière indiquée ci-dessus, entre la conduite principale 3 et les conduits de dérivation 5 et 6. L'air primaire arrivant-par le conduit 5 pénètre dans la pièce creuse 25, traverse éventuellement le filtre anti-aérosol 34, passe par le gicleur 33 qui enrègle le débit avec précision (pour une valeur déterminée de la dépression qui est lue au manomètre 19) et débouche à la base de la buse intérieure 30.En même temps1 l'hydrogène, débité par la source 9, arrive par la chambre 38 en un jet annulaire incliné qui se mélange au jet central d'air primaire arrivant par -la buse 30. L'air et l'hydrogène (en excès par rapport à l'air) se mélangent et, à leur sortie du manchon 40, ils sont enflammés par les électrodes 46. La flamme primaire se transmet alors à la sortie des buses 30,31, et s'y fixe au niveau de l'axe X-X. L'hydrogène qui n'a putrûler par défaut d'oxygène et la vapeur d'eau formée par la flamme primaire s'évacuent à la base du manchon en verre réfractaire 40 et cet hy drogène, par mélange avec l'air secondaire qui arrive par l'orifice 28, y brûle en formant une flamme secondaire. Le signal optique de la flamme primaire, concentré par le jeu de lentilles 49, est transmis par le conduit optique 42 à chaque phototre 10 qui réagit à la présence du polluant caractérisé par la lcngueur d'onde sur laquelle est centré son filtre interfêrentiel 55. Comme ce photomètre est éloigné du corps 4, il est sous- trait à l'influence de la chaleur dégagée par les flammes pri maire et secondaire et par les résistances de chauffage 43,44. La détection des produits peu volatils es @-cilitée par 'invention. En effet, il n'existe entre la canne de prélèvement - et l'extrémité inférieure des buses 3C,3i c'une longuer négligeable de canalisations dans lesquelles les produits volatils pcurraient s'adsorber et/ou se condenser. DE cette façon, le temps de transit de l'air pollué jusqu'à la flamme est réduit au minimum et la surface des parois susceptibles d'adsorber des produits est également réduite. De plus, les phénomènes de condensation sont fortement atténués par la température élevée de ces parois. En définitive, l'appareil est rendu très sensible aux changements de concentratron rapides des polluants. L'application du conducteur de lumière à fibres optiques permet de prélever la lumière sur de nombreux points autour du brûleur. En outre, les conducteurs de lumière â plusieurs terminaisons peuvent se prêter à de nombreuses combinaisons, grâce aux fourches telles que 56. L'invention s'applique aux composés oxygéné formés de gaz ou de vapeurs, aux aérosols solides ou liquides (le filtre 34 étant alors supprimé), naturels ou résultant de la nébulisation de solutionspar un procédé connu REVENDICATIONS 1 - Appareil photométrique a flamme, pour la détection de polluants divers dans un milieu gazeux oxygéné, lequel appareil com- porte, d'une part, un brûleur qui est logé dans un corps creux et où s'effectue en deux étages la coribustion d'hydrogène provenant d'une source associée à l'appareil, cette combustion étant produite par réaction avec le milieu gazeux oxygéné qui est mis en circulation par une pompe d'aspiration branchée sur le corps creux et, d'autre part, eu moins un dispositif d'analyse de flamme essentiellement constitue d'un photomultiplicateur qui vise, à travers un filtre interférentiel, la flamme produite au premier étage du brûleur, c'est-à-dire l'étage où, par rapport à l'oxygène du milieu gazeux, l'hydrogène arrive en excès pour la formation stoechiomé- trique de l'eau, caractérisé en ce qu'il est agencé de façon que le corps du brûleur atteigne, en régime stable, une température au moins égale à 10O0C, généralement de l'ordre de l20 C, et en ce que le photomultiplicateur est monté à l'écart de ce corps en étant relié optiquement à ce dernier par un conduit de lumière à fibres optiques, le filtre interférentiel étant placé à la fin de-ce conduit de lumière, c'esta'-dire à l'entrée du photomultiplicateur. 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps du brûleur est garni de résistances électriques de chauffage propres à être mises sous tension lorsque appareil est en fonctionnement. 3 - Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une canne de prélèvement d'où parent en parallèle un conduit de dérivation d'air primaire et un conduit de dérivation d'air secondaire ; en ce que le conduit de dérivation d'air primaire est constitué par un court tube rectiligne débouchant dans une pièce creuse où peut être logé un filtre anti-aérosol, laquelle pièce est montée à l'intérieur d'un bloc métallique muni de résistances de chauffage et disposé au-dessus d'une paroi transversale étanche du corps creux; en ce que le brûleur comprend une buse intérieure munie d'un gicleur de réglage de l'air primaire-et une buse extérieure entourant coaxialement la buse intérieure de façon à limiter avec celle-ci une chambre annulaire communiquant avec la source dthydro- gène; en ce que le tube rectiligne, la pièce creuse et le gicleur sont alignés dans cet ordre sur un axe vertical, de haut en bas; en ce que le conduit de dérivation d'air secondaire débouche à l'in térieur du-corps creux; et en ce que l'autres résistances de chauf- fage sont prévues sur ce corps creux au-dessous de la susdite paroi transversale. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé' en ce qu'une pompe d'aspiration est branchée, d'une part, par une conduite principale sur la canne de prélèvement, en parallèle avec les conduits de dérivation, et,d'autre part, par l1intermédiaire d'une vanne de réglage sur le corps creux.