Brevet FR2392377A1 — publié le 19781222

La présente invention a pour objet une methode et une installation d'analyse de la composition d'un milieu fluide transparent au moyen d'un spectomètre détectant et mesurant l'intensité de raies émises en un endroit déterminé où le milieu fluide est ionisé ou excité par exemple par une flamme ou par un arc ou une étincelle électriques. De telles méthodes et installations sont en soi deja connues. L'invention a pour but une méthode de ce genre, nouvelle du fait qu'elle est applicable dans des conditions industrielles particulièrement dures, par exemple lorsque le milieu fluide transparent est corrosif, se trouve à température élevée ou bien transporte des poussières qui masquent les effets recherchés dans les spectres a flamme ou qui encrassent progressivement et rapidement les électrodes, ou lorsque le milieu fluide détériored'une autre manière un agencement classique utilisé en spectrométrie. La nouvelle méthode évite tout agencement particulier a l'endroit meme où un plasma ionisé ou excité est engendré dans le milieu fluide pour qu'il émette des raies de longueurs d'onde caractéristiques a sa composition. La méthode suivant l'invention est caractérisée en ce qu'on envoie dans le milieu fluide transparent une impulsion lumineuse de très forte intensité, ultra-violette, visible, ou de préférence infrarouge, sous forme d'un faisceau convergent vers un point situé dans le milieu fluide transparent et en ce qu'on choisit des valeurs de longueurs d'onde et valeurs d 'intensité de cette impulsion lumineuse permettant d'engendrer au dit point de convergence des champs électriques énormes. I1 est notamment possible de choisir les longueurs d'onde de l'impulsion lumineuse aux environs de raies d'absorption de compositions particulières a détecter, mais fort écartés de la partie du spectre analysée dans le spectrometre. On évite ainsi une perturbation de l'analyse spectrale par l'impulsion lumineuse qui doit seulement engendrer un plasma au moyen de champs électriques élevees en un endroit déterminé du milieu fluide transparent. La transparence du milieu ne doit pas être parfaite, pourvu qu'elle permette a l'impulsion lumineuse d'arriver sans trop de pertes d'intensité au point de convergence pour y engendrer les effets désirés. Le milieu fluide transparent peut être un gaz ou un liquide, éventuellement chargé de poussières solides ou de matières colorantes pour autant que la transparence reste suffisante. L'analyse spectrale peut porter soit sur la composition du milieu fluide proprement dit, soit sur la composition des charges, soit sur les deux. L'invention est expliquée ci-dessous par rapport a deux exemples de forme d'exécution représentés aux figures I a 3 du dessin annexé. Les trois figures représentent des coupes schématiques a travers deux installations suivant 1' invention. Aux figures I et 2, un laser I pulsé émet, à cadence déterminée, des impulsions lumineuses de très forte intensité et de courte durée, en l'occurren- ce de longueur d'onde aux environs de 10 microns s il s'agit d'un laser au C02 ou de I micron s' il s'agit d'un laser au Nd. Ces impulsions sont émises sous forme d'un faisceau parallèle 2 de faible section et sont envoyées dans un système optique composé d'une lentille 3, disposée à l'extrémité d'un tube 4 introduit dans un conduit 5 de gaz chaud sortant d'un four de cimenterie. Le tube 4 est entouré d'un tube 4' coulissant dans une gaine 6 solidaire du conduit 5. La paroi de la gaine 6 peut être refroidie à l'eau.L'espace annulaire entre les d aeux tubes 4 et 4' est parcouru par un courant d'air frais qui lèche également la surface extérieure de la lentille 3 et la maintient propre, meme si le gaz dans le conduit 5 véhicule une quantité sensible de poussières. La lentille 3 fait converger le faisceau parallèle 2 vers son point focal 7 situé dans le milieu fluide, en l'occurrence les gaz chauds. Au moment de l'émission d'une impulsion lumineuse par le laser 1, la condensation de l'énergie lumineuse infrarouge au point focal 7 engendre un plasma ionisé ou excité grâce à l'apparition de champs électriques très élevés dus à la concentration du rayon laser .De ce fait, les composants du milieu fluide au point 7 sont excités et émettent des raies ou bandes caractéristiques par exemple, dans la partie visible et ultraviolette du spectre, entre environ 0,2 et I micron. L'impulsion lumineuse émise par un laser I à C02 avec des longueurs d'onde aux environs de 10 microns ou par un laser I au Nd avec des longueurs d'onde aux environs de 1 micron ne perturbe donc pas les mesures faites sur la lumière visible et ultraviolette émise au point 7. La lumière émise au point 7 est envoyée via la lentille 3 et un miroir 9 vers un spectromètre 10. Dans les gaz à la sortie d'un four de cimenterie, notamment les composants suivants peuvent apparaltre dans des proportions variables: CO,On, C02, C12, Na, K, S02. Le spectromètre 10 peut être équipé de détecteurs ou appareils de mesure de l'intensité de raies caractéristiques de celles des composants dont les proportions permettent de conclure à certains états de fonctionnement, favorables ou non, du four. Les signaux de sortie de ces appareils de mesure ou détecteurs peuvent être introduits dans une installation de commande automatique du four ou dans un calculateur délivrant des signaux de commande pour une installation de commande automatique. Dans l'espace entre les tubes 4 et 4' est entretenu un courant de fluide de nettoyage, par exemple de l'air comprimé qui se mélange ensuite aux gaz dans le conduit 5. L'air comprimé est amené par une tuyauterie Il. Pour éviter que cet air ne perturbe la mesure au point 7, un agencement de déflecteurs approprié est prévu. Le gaz sortant du four de cimenterie est capté dans un bout de tube 12 dont la section libre rétrécit de manière à augmenter la vitesse du gaz qui y circule. L'axe 13 du bout de tube 12 est dirigé sur le point 7 c'est-à-dire le foyer de la lentille 3, lorsque l'ensemble 4,4' se trouve en position de mesure. La bouche de sortie du bout de tube 12 se trouve a proximité immédiate du point 7 et un peu à l'intérieur d'un bout de tube droit 14.Dan ce dernier est pratiquée une ouverture 15 pour laisser libre le passage de la lumière vers le point 7 et vice versa. L'air de refroidissement qui entre à travers l'ouverture annulaire entre les bouts des tubes 12 et 14 et l'ouverture 15 ne perturbe pas l'écoulement du gaz au bout du tube 12 dans la région de son ouverture de sortie c'est-à-dire au point 7. Si l'aménagement d'écrans tels que 12 et 14 s'avère difficile ou trop couteaux, par exemple en raison de la température élevée et de la nature corrosive du gaz, ou à cause d'encrassements trop fréquents et trop importants de ces écrans il est possible d'envisager des arrêts momentanés dans l'écoulement du fluide de nettoyage pour éviter des perturbations du gaz à mesurer au point 7. Dans ce cas, il peut etre indiqué d'envisager la possibilité du retrait partiel des tubes 4 et 4' vers le haut du tube de protection 6 entre deux mesures consécutives ou deux séries de mesures consécutives pour procéder à un nettoyage à fond de la lentille 3 au moyen d'un équipement approprié, non représenté. Le miroir 9 peut présenter un trou pour laisser passer librement le faisceau 2 émis par le laser 1, comme cela est représenté à la figure 1. I1 peut aussi etre composé, par exemple, en une lame de germanium qui est une matière transparente à la lumière infrarouge de 10 microns et réfléchissante pour la lumière visible entre 0,2 et 1 micron, comme cela est représenté à la figure 2. Pour éviter que la concentration de l'impulsion lumineuse émis par le laser 1 n'atteigne desleurs trop élevées déjà avant d'atteindre le point 7, des mesures peuvent etre prises pour dissiper le faisceau 2 avant de le faire converger.vers le point 7. Un exemple d'un tel agencement est représenté à la figure 2. Le faisceau 2 frappe un miroir axial en forme de cône 16 qui le fait dévier radialement en forme de disque jusqu'à ce qu'il rencontre un miroir annulaire 17 de même conicité réfléchissant sur sa face interne , environ du diamètre de la lentille 3, qui le réoriente dans la direction originale, parallèle à l'axe du tube 4. On augmente ainsi facilement d'un facteur 10 et davantage la section du faisceau 2 en lui conférant une section annulaire qui traverse la lentille 3 le long de son bord tout en le faisant converger vers le même point focal 7 comme dans le cas de la figure 1. I1 est évidemment possible d'envisager le dédoublement des tubes 4 et 6 et de prévoir des systèmes optiques complètement séparés pour le faisceau 2 émis par le laser et pour la lumière émise au point 7, notamment lorsque la lumière émise par le laser est prise dans la partie du spectre analysée dans le spectromètre, afin d'éviter des perturbations. il est possible aussi d'utiliser une sonde optique sans lentille telle que à å la figure 3. Cette sonde à l'avantage d'être particulièrement bien adaptée pour l'analyse de gaz très chaudset à un milieu poussièreux par exemple àl'intérieur de conduits de cheminés. A la figure 3, une gaine 6 refroidie à l'eau est fixée à la paroi d'un conduit 5 de gaz chauds sortant d'un- four de cimenterie, non représenté. Dans cette gaine 6 coulisse un tube support 18 également refroidi à l'eau. Le tube 18 est relié, à ltextérieur du conduit 5,à un laser I d'une part et un spectro mètrelO d'autre part au moyen de gaines 19 et 20 appropriées. L'espace du tube 18 et des gaines 19 et 20 est fermé par les enceintes du laser 1 et du spectromètre, mais reste ouvert du coté du milieu fluide transparent.A l'extrémité ouverte du tube 18 est disposé un miroir axial de forme conique 21, maintenu sur une traverse 22 fixée au tube 18 et un miroir annulaire 23 à surface réfléchissante approximativement conique, présentant une courbure concave, concentrant la lumière émise par le laser 1 sur un foyer 7 où est engendré un plasma qui émet des raies et bandes de lumière ultra-violette et visible. La lumière émise au point 7 est renvoyée par le miroir annulaire 23 sur le miroir axial 21 qui l'oriente en un faisceau à rayons parallèles qui est réfléchi par un miroir 9, par ailleurs transparent pour les rayons du laser, vers l'entrée du spectromètre 10. Un conduit Il de fluide de protection et/ou de nettoyage permet d'amener par exemple de l'air comprimé à l'intérieur du tube 18. L'air comprimé sort par l'ouverture du tube 18 après avoir balayé les surfaces réfléchissantes des miroirs 21 et 23 et se mélange au milieu fluide transparent dans le conduit 5. Pour éviter la perturbation de l'écoulement du milieu fluide transparent à 1' endroit du point 7, des déflecteurs appropriés 12 et 14, échancrés pour laisser passer la lumière sont prévus. Ces déflecteurs stabilisent l'écoulement du milieu fluide transparent et dévient une partie du fluide de protection et/ou de nettoyage. Les signaux émis par les détecteurs ou appareils de mesure associés au spectromètre peuvent etre bloqués pendant les arrets de fonctionnement du laser et débloqués par un dispositif commandant l'émission stimulée du laser, seulement pendant la durée de l'impulsion lumineuse. On profite ainsi de l'émission stimulée du laser et évite des erreurs dues à des parasites, provenant par exemple de décharges électriques spontanées dans la poussière véhiculée par le milieu fluide. REVENDICATIONS. 1. Méthode d'analyse de la composition d'un milieu fluide transparent au moyen d'un spectromètre détectant et mesurant l'intensité de raies émise en un endroit déterminé par une quantité déterminée de fluide excitée ou ionisée, caractérisée en ce qu'on envoie dans le milieu fluide transparent une impulsion lumineuse ultraviolette, visible, ou de préférence, infrarouge sous forme d'un faisceau convergent vers un point situé dans le milieu transparent et en ce qu'on choisit des valeurs de longueurs d'onde et valeurs d'intensité de cette impulsion lumineuse permettant d'engendrer un plasma à l'endroit du point de convergence. 2. Méthode d'analyse suivant la revendication 1 caractérisée en ce qu'on envoie des impulsions lumineuses à une cadence de répétition déterminée. 3. Méthode d'analyse suivant une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'en amont du point de convergence la section du faisceau de l'impulsion lumineuse est d'abord fortement augmentee. 4. Methode d'analyse suivant une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les longueurs d'onde de l'impulsion lumineuse sont choisies dans 1' infrarouge entre environ 1 micron et 10 microns. 5. Installation pour appliquer la méthode d'analyse selon une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un laser émettant des impuslions lumineuses de longueurs d'ondes et d'intensité choisies, au moins un système optique conduisant le faisceau de l'impulsion lumineuse du dit laser, sous forme d'un faisceau convergent, vers un point focal choisi à l'intE- rieur du milieu fluide transparent,un spectromètre et un système optique s 'éten- dant du spectomètre jusqu' à proximité du dit point focal, conduisant la lumière émise par le plasma dans le milieu fluide vers le spectromètre. 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le faisceau de l'impulsion lumineuse émis par le laser, avant de traverser une lentille qui le fait converger, est envoyé sur un miroir axial conique et un miroir annulaire de même conicité réflechissant sur sa face interne. 7. Installation suivant une des revendications 5 à 6, caractérisée en ce qu'une partie d'un des systèmes optique s servant à conduire une impulsion lumineuse dans le milieu fluide transparent sert à conduire la lumière émise par le milieu fluide à haute température vers le spectromètre. 8. Installation suivant une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que une partie du système optique ou de chaque système optique est constituée par un tube traversant une paroi d'un conduit pour un milieu fluide à température élevée. 9. Installation suivant la revendication 8 caractérisée en ce que la dite partie du système optique constituée par un tube traversant une paroi d'un conduit pour un milieu fluide transparent est nettoyee par un fluide de nettoyage approprié envoye dans le milieu fluide transparent. 10. Installation suivant la revendication 9 caractérisée en ce qu'un agencement de dflecteurs est disposé aux environs du point de convergence à l'inte- reur du conduit pour le milieu fluide transparent de manière à éviter de perturber l'écoulement du milieu fluide transparent à l'endroit du point de convier gence choisi et de manière à assurer un nettoyage efficace des surfaces transparentes ou réfléchissantes du système optique. 11. Installation suivant la revendication 9 caractérisée en ce que le systeme optique comprend au moins un miroir axial et au moins un miroir annulaire dont les surfaces réfléchissantes sont balayées par un fluide de nettoyage envoyé dans le milieu fluide transparent. 12. Installation suivant une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'émission de signaux caractéristiques de sortie du spectromètre est débloquée par un dispositif commandant l'émission stimulée du laser, pendant la durée seulement de l'impulsion lumineuse du laser. 13. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le tube est refroidi à eau 14. Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que l'alimentation en fluide de nettoyage est arrêtée pendant 1 'émission d'une impulsion lumineuse.