Brevet FR2463410A1 — publié le 19810220

L'invention concerne un dispositif pour déterminer l'influence de composants gazeux d'un courant de gaz traver- sant un objet à contrôler, perméable aux gaz, par dilution et/ou diffusion, comportant une source d'aspiration attirant le gaz étalon à travers au moins une partie de l'objet à contrôler, un compteur volumétrique pour le gaz étalon pénétrant dans l'objet à contrôler et un dispositif de mesure de la concentration du gaz sortant de l'objet à con- trôler. Un tel dispositif convient pour l'examen d'objets à contrôler, perméables au gaz, quelconques, et l'on peut citer à ce sujet à titre d'exemple des filtres, notamment des tiges de filtres, des cigares et des cigarettes. Ci- après on va expliciter de façon plus détaillée l'invention en se reportant aux examens effectués sur des cigarettes. Alors que dans de nombreuses publications on a étudié les variations de la concentration du courant de fumée principal dans des cigarettes lors de leur combustion, on n'a étudié que récemment, par suite des difficultés expé- rimentales, les effets de la dilution et de la diffusion sur la concentration de composants gazeux. Ceci est imputable au fait que les effets de diffusion et de dilution n'ont pas pu être différenciés expérimentalement de la production de gaz par la combustion. Mais, étant donné que les composants gazeux de la fumée et en particulier ce qu'on appelle les gaz de faible poids moléculaire, comme par exemple l'azote, l'hydrogène, le méthane, l'oxyde de carbone, le gaz carbonique et les oxydes de l'azote, ont pris une importance croissante, on a développé un dispositif pour déterminer l'influence des composants gazeux de l'écoulement de fumée, par dilution et diffusion, du type indiqué (Beitrâge zur Tabakforschung, Vol. 9, Cahier 3, octobre 1977, page 141 et suivantes). Un gaz étalon provenant d'un sac à gaz d'une machine à fumer est aspiré à travers une cigarette et est ensuite analysé du point de vue quantitatif, c'est-à-dire que l'on détermine la concentration du gaz dans l'écoulement sortant de la cigarette. Avant le début de chaque série de mesures, le gaz étalon est aspiré à travers une bu- rette à bulles de savon afin de déterminer le volume du gaz étalon traversant les cigarettes. A partir de la course constante de la machine à fumer et par conséquent du volume constant aspiré par la machine à fumer, et à partir du volume du gaz étalon pénétrant dans la cigarette et de la mesure de la concentration mesurée du gaz sortant, on peut déterminer la variation de la concentration du gaz étalon, xqui peut être imputée à la diffusion du gaz étalon à travers le papier *de la cigarette, en direc- tion de l'extérieur, ou bien au gaz alentour diluant le gaz étalon et aspiré à travers le papier de la cigarette dans cette dernière. Le gaz étalon transite préalable- ment, en sortant d'un réservoir de gaz comprimé (bouteille) dans le sac à gaz, étant donné que le gaz étalon ne doit pas être en surpression par rapport à l'atmosphère environnant la cigarette, pour la méthode de mesure décrite. Dans la pratique, et en particulier dans le cas de l'examen de contrôle routinier de cigarettes, le dispositif connu s'est cependant avéré présenter plusieurs inconvé- nients: Se servir d'une burette à bulles de savon, est extrêmement complexe, prend du temps et est une source d'erreurs. La concentration du gaz étalon transvasé. d'une bouteille de gaz dans le sac à gaz, qui peut varier par suite de restants de gaz dus à une vidange incomplète du sac à gaz ou bien par suite d'un gaz étranger introduit pendant la manipulation du sac à gaz ou bien par suite de défauts d'étanchéité, ne peut pas être contrôlé sans avoir accès au système de mesure fermé. Enfin aucun contrôle du volume du gaz pénétrant dans la cigarette n'est possible pendant la mesure proprement dite, étant donné que le gaz étalon, qui a traversé la burette à bulles de savon, ne peut pas être utilisé, en raison de la vapeur d'eau absorbée, pour une mesure de la dilution et de la diffusion. - C'est pourquoi la présente invention a pour but de réaliser un dispositif pour déterminer l'influence des 2 463410 composants gazeux d'un courant de gaz par dilution et/ou diffusion, du type indiqué, dans lequel les inconvénients mentionnés n'apparaissent pas. En particulier il faut proposer un dispositif qui, moyennant une manipulation simple, permet un contrôle et un étalonnage précis des différents paramètres influençant la mesure. Le dispositif suivant l'invention se caractérise par une résistance laminaire se trouvant dans le trajet du courant allant de la source de gaz à l'objet à contrôler, par un dispositif pour mesurer le volume écoulé à partir de la différence de pression apparaissant au niveau de la ré- sistance laminaire, et par une dérivation pouvant être branchée sur le trajet d'écoulement entre la résistance laminaire et la source d'aspiration et contournant l'objet à contrôler. Les avantages obtenus grâce à l'invention reposent notamment sur le fait que le compteur volumétrique reste en permanence dans le trajet d'écoulement et entre une source de gaz et la cigarette, c'est-à-dire qu'à chaque course de la machine à fumer, le volume du gaz pénétrant dans la ciga- rette est également déterminé simultanément, sans que de ce fait la mesure proprement dite n'en soit affectée. Lors de chaque mesure, on obtient donc ce volume, de sorte qu'on peut tenir compte d'éventuelles variations du volume de gaz étalon introduit lors de l'évaluation. Lors du branchement de la dérivation sur le trajet d'écoulement, le gaz étalon circule à partir de la source de gaz, en traversant la résistance laminaire ser- vant à la mesure volumétrique, passe sur le côté de la cigarette et aboutit au dispositif de mesure de la concen- tration du gaz d'étalonnage. Dans ce type de fonctionnement, on peut exécuter très simplement le contrôle de l'étalonnage du compteur volumétrique. Le volume aspiré par la machine à fumer reste éga- lement constant de façon précise pendant des intervalles de temps assez importants, de sorte que ce volume connu peut, lorsqu'il traverse la dérivation, être corrélé à l'affi- chage du compteur volumétrique et par conséquent ce dernier peut être étalonné. En outre, dans ce type de fonctionnement, on peut contrôler de façon simple et rapide la concentration du gaz étalon, pénétrant dans la cigarette, sans avoir à accéder au système de mesure fermé. Les variations de la concentration du gaz étalon peuvent être par consé- quent également détectées de cette façon et être prises en compte lors de l'exploitation ultérieure. De préférence, le descriptif se caractérise - par un enregistreur de pression différentielle, raccordé à la résistance laminaire, par un amplificateur pour alimenter l'enregistreur de pression différentielle et pour préparer des signaux, par un intégrateur pour dé- terminer le volume de gaz pénétrant dans l'objet à contrô- ler au moyen de l'intégration de la pression différentielle en fonction du temps, et par un dispositif d'affichage de la pression différentielle et du volume écoulé; - par une première valve magnétique interposée entre la résistance laminaire d'une part et la dérivation ou l'objet à contrôler d'autre part; - par une seconde valve magnétique interposée entre la source d'aspiration d'une part et la dérivation ou l'objet à contrôler d'autre part; - par le fait qu'on utilise comme source d'aspi- ration une machine à fumer à piston dont le volume d'aspi- ration (course du piston) est réglable; - par une troisième valve magnétique interposée entre la seconde valve magnétique d'une part et la source d'aspiration ou le dispositif de mesure d'autre part; - par le fait que le piston de la machine à fumer revient automatiquement dans sa position initiale, une fois atteinte la position d'extrémité, et refoule le volume de gaz aspiré; 2 4 63 4 10 - par le fait que, lorsque le piston atteint sa position d'extrémité, la troisième valve magnétique est commutée automatiquement et que de ce fait la machine à fumer à piston est reliée au dispositif de mesure; - par un montage permettant de commander le moteur réversible de la machine à fumer à piston, les valves magné- tiques et les mesures. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illus- tré schématiquement aux dessins annexés plusieurs exemples de réalisation de l'objet de l'invention. La figure 1 représente, sous la forme d'un schéma- bloc, l'agencement du dispositif selon l'invention. La figure 2 représente un schéma-bloc détaillé du dispositif conforme à l'invention. Comme le montre la figure 1, le dispositif conforme à l'invention comporte une source 10 pour le gaz étalon, par exemple un sac à gaz, dans lequel le gaz étalon est introduit à partir d'une bouteille (non représentée). Cette source de gaz 10 est raccordée à un circuit d'écoulement 12. A la source de gaz 10 est reliée une résistance lami- naire 14 disposée dans le circuit d'écoulement 12 et au ni- veau de laquelle se produit une chute de pression du gaz étalon aspiré par une machine à fumer à piston 34. La différence de pression, qui apparaît au niveau de la résis- tance laminaire 14, est détectée par un enregistreur de pression différentielle 16 et est envoyée à un amplificateur 18. Le signal de pression différentielle amplifié est envoyé à un intégrateur 20 qui intègre la différence sur la durée de l'écoulement. Le signal de sortie de l'intégrateur 20, qui représente une mesure directe du volume sdu gaz éta-_ Ion tiré lors d'une course, hors de la source de gaz 10, est affiché dans un dispositif d'affichage 22. Le gaz étalon parvient, après avoir traversé la résistance laminaire 14, à une première valve magnétique 24. En fonction de la position de cette valve magnétique, le gaz étalon traverse soit un by-pass ou dérivation 26, soit un objet à contrôler fixé dans un support 28, dans le cas présent une cigarette 30. Les deux têtes 28a et 28b du support peuvent être déplacées l'une par rapport à l'autre, comme cela est indiqué par la flèche double sur la figure 1. Dans ces têtes 28a et 28b du support 28 sont logées, de façon étanche aux gaz, les extrémités de la cigarette 30, de sorte que seule la zone, située entre les têtes 28a et 28b, de la surface de la cigarette 30 est en contact avec l'atmosphère environnante. Ce n'est qu'au niveau de cette zone définie de façon précise qu'il peut se produire par conséquent un éventuel échange de gaz à travers le papier de la cigarette entre l'intérieur de la cigarette et l'atmosphère environnante. Au moyen d'un déplacement des têtes 28a et 28b on peut modifier en cas de besoin cette zone superficielle. Le renvoi du gaz traversant la dérivation au trajet d'écoulement principal, à savoir au trajet d'écoulement traversant la cigarette 30, s'effectue par l'intermédiaire d'une seconde valve magnétique 32. A cette seconde valve magnétique 32 est raccordée une troisième valve magnétique 40 qui est reliée d'une part à la machine à fumer à piston 34 et d'autre part à un dispositif de mesure 36, représenté seulement de façon schématique, destiné à mesurer la con- centration des gaz étalons présents dans le volume de gaz. Le type du dispositif de mesure 36 dépend du type des gaz devant être étudiés. Dans le cas de l'étude simultanée de plusieurs gaz, on utilise par exemple un chromatographe en phase gazeuse. Lorsque-l'on veut étudier seulement un gaz déterminé, par exemple CO, on obtient une mesure conti- nue à chaque course, par exemple au moyen d'un appareil à infrarouges. Le résultat de la mesure est présenté dans un dispositif d'affichage 38. Une machine à fumer à piston 34 aspire, à chaque course de son piston, un volume de gaz constant et refoule à nouveau ce volume de gaz lors du retour du piston. Le mode de fonctionnement de ce dispositif va être explicité de façon plus détaillée ci-après, en référence à la figure 2, qui représente un schéma du dispositif et, 2 4 6 3 4 10 outre les pièces déjà mentionnées, également des boutons- poussoirs TA et TE pour le branchement des différentes pièces, des relais Rel, Re2 et Re3 pour la commande des différentes pièces, un moteur M pour la machine à fumer 34, un commutateur S, pour la première valve magnétique 24 et une lampe-témoin Ll. Alors que les boutons-poussoirs et les relais sont placés à une tension usuelle d'alimentation de 24 volts, le moteur M est alimenté par une tension du réseau de 200 volts. Etant donné que l'on utilise de façon appropriée un moteur à courant continu, cette tension du réseau doit être encore redressée dans un redresseur 42. Lors de l'actionnement, qui s'effectue en général manuellement, du boutonpoussoir TAI le relais Rel est attiré et passe en auto-maintien. De ce fait le relais Rel raccorde le moteur M de la machine à fumer à piston 34, de sorte que cette dernière commence à effectuer une course. Simultanément le relais Rel relie les relais Re2 et Re3 à la tension d'alimentation. Le relais Re2 branche alors les deux valves magné- tiques 32 et 24, dont la fonction peut être interrompue par le commutateur S1. La position des deux valves magnétiques est affichée au moyen de la lampe L. Le relais Re3 est attiré, après un temps de retard de 0,5 seconde, ce qui interrompt la ligne de départ de l'intégrateur 20. Par conséquent la machine à fumer 34 aspire, au cours d'une course, un volume de gaz défini de façon pré- cise et soutire une quantité de gaz déterminée hors du sac 30. à gaz 10. Cette quantité de gaz traverse la résistance la- minaire 14, au niveau de laquelle le volume d'écoulement différentiel est mesuré de la façon explicitée plus haut sur l'ensemble de la durée d'aspiration, est intégrée sur la durée de l'écoulement et est affichée dans le dispositif d'affichage 22. L'intégration de la différence de pressions et par conséquent la mesure du volume commence donc à l'instant défini de façon précise et déterminé par le relais Re3. Le gaz étalon s'écoule depuis la résistance laminaire 14 vers la valve magnétique 24 dont la position est déterminée par le commutateur S1. En fonction de sa position, le gaz étalon traverse soit la dérivation 26, soit la cigarette 30. Ensuite le gaz traverse la seconde valve magnétique 32 réglée de façon correspondante et la troisième valve magnétique 40 pour pénétrer dans la machine à fumer 34. Lorsque le piston de la machine à fumer 34 a atteint sa position d'extrémité, le bouton-poussoir T E de position extrême est actionné, ledit bouton-poussoir supprimant l'auto-maintien du relais Rel. De ce fait le sens de rota- tion du moteur est inversé, si bien que le piston de la machine à fumer 34 est ramené dans sa position initiale et que par conséquent le volume de gaz est refoulé hors de la machine à fumer 34. La troisième valve magnétique 24 est branchée en synchronisme avec l'inversion du sens de rotation du moteur M, de sorte que le volume de gaz refoulé hors de la machine à fumer 34 s'écoule en direction du dispositif de mesure 36, qui affiche la valeur déterminée dans le dispositif d'affi- chage 38. Pour étalonner le dispositif, en particulier-pour contrôler la concentration des gaz étalons et du - volume de gaz pénétrant dans la cigarette, on règle la première et la seconde valves magnétiques 24, 32 de manière que le gaz étalon traverse la dérivation 26, tandis que dans le cas de la mesure proprement dite, le gaz (talon. traverse la cigarette 30, après changement de posi- tion de ces valves magnétiques 24, 32. A partir du volume constant aspiré par la machine à fumer 34, de la concentra- tion du gaz étalon pénétrant dans la cigarette 30, du volume pénétrant dans la cigarette 30 et de la mesure de la concentration du gaz sortant de la cigarette 30, on peut calculer quelle est l'importance de la dilution du gaz en raison des gaz environnants (par exemple l'air) ayant péné- tré dans la cigarette, ou en raison de la diffusion du gaz étalon hors de la cigarette. 24634 10 R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif pour déterminer l'influence de com- posants gazeux d'un courant de gaz traversant un objet à contrôler, perméable aux gaz, par dilution et/ou diffusion, comportant une source d'aspiration attirant le gaz étalon à travers au moins une partie de l'objet à contrô- ler, un compteur volumétrique pour le gaz étalon péné- trant dans l'objet à contrôler et un dispositif de mesure de la concentration du gaz sortant de l'objet à contrôler, caractérisé par une résistance laminaire (14) se trouvant dans le trajet du courant (12) allant de la source de gaz (10) à l'objet à contrôler (30), par un dispositif (16, 18, , 22) pour mesurer le volume écoulé à partir de la diffé- rence de pression apparaissant au niveau de la résistance laminaire (14), et par une dérivation (26) pouvant être branchée sur le trajet d'écoulement (12) entre la résistance laminaire (14) et la source d'aspiration (34) et contournant l'objet à contrôler (30). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé par un enregistreur de pression différentielle (16), raccordé à la résistance laminaire (14), par un amplifica- teur (18) pour alimenter l'enregistreur de pression diffé- rentielle et pour préparer des signaux, par un intégrateur (20) pour déterminer le volume de gaz pénétrant dans l'ob- jet à contrôler (30) au moyen de l'intégration de la pres- sion différentielle en fonction du temps, et par un dispo- sitif d'affichage (22) de la pression différentielle et du volume écoulé. 3. Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par une première valve magnétique (24) inter- posée entre la résistance laminaire (14) d'une part et la dérivation (26) ou l'objet àcontrôler (30) d'autre part. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caracté- risé par une seconde valve magnétique (32) interposée entre la source d'aspiration (34) d'une part et la dériva- tion (26) ou l'objet à contrôler (30) d'autre part. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé par le fait qu'on utilise comme 2 4634 10 source d'aspiration une machine à fumer à piston (34) dont le volume d'aspiration (course du piston) est réglable. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 4 ou , caractérisé par une troisième valve magnétique (.40) interposée entre la seconde valve magnétique (32) d'une part et la source d'aspiration (34) ou le dispositif de mesure (36) d'autre part. 7. Dispositif suivant l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait que le piston de la machine à fumer (34) revient automatiquement dans sa position ini- tiale, une fois atteinte la position d'extrémité, et refoule le volume de gaz aspiré. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caracté- risé par le fait que, lorsque le piston atteint sa position d'extrémité, la troisième valve magnétique (40) est commu- tée automatiquement et que de ce fait la machine à fumer à piston (34) est reliée au dispositif de mesure (36). 9. Dispositif suivant l'une quelconque des reven- dications 6 à 9, caractérisé par un montage (TA, TE, Rel, Re2, Re3, S1) permettant de commander le moteur réversible (M) de la machine à fumer à piston (34), les valves magné- tiques (24, 32, 40) et les mesures. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé par le fait que l'objet à con- trôler est un filtre, notamment une tige de filtre, un cigare ou une cigarette.