Brevet FR2464470A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne un appareil des- tiné à mesurer certaines propriétés de gaz de chaudières ou de fours (que l'on appelle ci-après "gaz de chaudière") s'échappant par un carneau. De telles mesures servent à régler la richesse en combustible du mélange de combustible et d'air introduit dans la chaudière en vue de réduire à son minimum le gaspillage de combustible dû au chauffage d'un excès d'air et la décharge subséquente à l'atmosphère de cet air excédentaire ainsi chauffé. La pratique moderne de réglage de la combustion implique la mesure et le réglage simultanés d'un certain nombre de propriétés des gaz qui s'échappent de chaudières brûlant des combustibles fossiles. Dans le cas habituel, le taux d'oxyde de carbone des gaz est mesuré et réglé à un niveau déterminé au préalable et qui constitue une cible ou valeur de consigne. A des taux élevés de l'air par rapport au combustible, c'est-à-dire à de faibles richesses en combus- tible, le taux de l'oxyde de carbone se situe habituellement à une faible valeur d'environ cent millionnièmes. Lorsque la proportion de l'oxygène tombe juste au-dessous du niveau nécessaire pour oxyder complètement la totalité du carbone et de l'hydrogène du combustible, le taux de l'oxyde de carbone commence à augmenter rapidement. C'est au début de cette élévation du taux de l'oxyde de carbone que l'on place généralement le point de réglage de ce taux. Dans certaines conditions, d'autres limitations de la diminution des taux d'air par rapport au combustible sont atteintes avant que le niveau de l'oxyde de carbone ne commence à augmenter rapidement. Dans certains cas, du carbone élémentaire va précipiter avant de brûler, ce qui augmente l'opacité des fumées dans la cheminée. Dans d'autres cas, un réglage médiocre du brûleur ou un encrassement de l'extrémité de ce brûleur peuvent conduire à des proportions excessive- ment élevées d'hydrocarbures. Donc, afin de régler le fonc- tionnement de la chaudière de la façon la plus intéressante, il est important de mesurer simultanément les taux de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures ainsi que le degré d'opacité des gaz s'échappant par le carneau. Il existe un certain nombre de procédés bien connus pour mesurer les taux de l'oxyde de carbone et des hydrocar- bures dans des gaz de combustion. Le procédé préféré fait appel à une spectrométrie d'absorption de l'infrarouge. Dans ce procédé, des longueurs d'ondes choisies de l'énergie infrarouge sont transmises à travers un échantillon du gaz à analyser. Le taux d'énergie infrarouge traversant les gaz est ensuite comparé avec le taux de l'énergie infrarouge en l'absence de ces gaz. La mesure ainsi obtenue de l'absorp- tion de l'énergie à ces longueurs d'ondes donne une mesure qualitative et quantitative des taux des constituants des gaz, dans ce cas l'oxyde de carbone et des hydrocarbures. Il existe également des procédés bien connus pour mesurer l'opacité des gaz de combustion. Un procédé préféré et bien connu consiste à transmettre à travers le gaz à analyser l'énergie (provenant d'une source d'une lumière photopique dont la distribution des longueurs d'ondes équivaut à la réponse de l'oeil humain) et à mesurer ensuite la quantité de lumière transmise, la valeur de l'opacité se définissant comme étant l'unité moins la transmission. Il vaut mieux effectuer directement dans le car- neau ou dans la cheminée la mesure de la composition des gaz de combustion afin d'éliminer les effets de la stratifica- tion des constituants de ces gaz. Pour protéger l'instrument de mesure contre les gaz corrosifs et chauds de combustion, des fenêtres spéciales isolent l'instrument par rapport aux gaz. Au bout d'une certaine période de temps, de la saleté tend à s'accumuler sur les fenêtres et à entraîner des erreurs pour l'analyse des gaz de carneau. De même, des variations de l'énergie ou de la lumière provenant des-sour- ces et de la sensibilité des détecteurs peuvent entraîner des erreurs. Une façon de réduire de telles erreurs consiste à prévoir une chambre à échantillon disposée en travers du carneau et qui peut être périodiquement purgée par de l'air propre afin de permettre d'étalonner l'appareil. Il est particulièrement souhaitable de mesurer simultanément et, de préférence dans un seul volume d'échan- tillonnage traversant la chambre à échantillon, les taux de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures ainsi que l'opa- cité des gaz de carneau. Ainsi, deux faisceaux énergétiques séparés, l'un de rayonnement infrarouge et l'autre de lumière visible, peuvent être transmis à travers une seule chambre à échantillon,mais la dimension que la chambre à échantillon doit ainsi présenter pour permettre le passage des deux faisceaux tend alors à être si grande que cette chambre à échantillon risque elle-même de provoquer une turbulence inopportune pouvant en gêner la purge périodique. Ainsi, il n'a pas été possible jusqu'à présent de regrouper ces dispositifs de réglage et de mesure avec une chambre à échantillon intéressante. Pour surmonter les inconvénients de l'art anté- rieur, la présente invention vise à proposer un appareil destiné à mesurer simultanément l'opacité, la teneur en oxyde de carbone et la teneur en hydrocarbures des gaz de carneau et qui convient pour être utilisé avec des chambres à échan- tillons, relativement petites et efficaces, disposées en travers de carneaux. L'invention vise également à proposer un tel appareil dans lequel toutes les mesures sont effectués le long d'un seul trajet de mesure traversant un carneau. Dans l'appareil de l'invention, la source de l'énergie lumineuse visible est séparée et indépendante de la source d'énergie infrarouge utilisée pour de telles mesures. Pour parvenir aux buts précités et à d'autres encore, la présente invention propose un appareil destiné à mesurer simultanément l'opacité, la teneur en oxyde de carbone et la teneur en hydrocarbures de gaz de carneau, le long d'un seul trajet de mesure traversant un carneau. L'appareil comprend une chambre à échantillon disposée en travers du carneau, d'un côté à l'autre de celui-ci, et à travers laquelle les gaz de ce carneau peuvent s'écouler; des organes définissant un trajet optique à un seul axe traversant lon- gitudinalement la chambre à échantillon et qui comprennent un élément convergent voisin d'un côté du carneau et un élément optiquement réflecteur voisin de l'autre côté du carneau; une source destinée à produire un niveau prédé- terminé d'énergie lumineuse visible; une source destinée à produire un niveau prédéterminé d'énergie infrarouge et qui est indépendante de la source de l'énergie lumineuse visible; un dispositif destiné à détecter le niveau de l'énergie visi- ble ayant traversé la chambre à échantillon le long du trajet optique pour aller vers l'élément réflecteur et en revenir; et un dispositif destiné à déceler le niveau de l'énergie infrarouge ayant traversé la chambre à échantillon le long du trajet optique vers l'élément réflecteur et pour en revenir. La source d'énergie infrarouge fournit cette énergie infrarouge en des bandes spectrales prédéterminées se situant entre environ 3 et 5 microns et elle dirige cette énergie infrarouge le long du trajet optique à un seul axe vers l'élément réflecteur. Une forme particulièrement préférée de réalisation de l'appareil de l'invention sera maintenant décrite, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue éclatée des éléments cons- titutifs généraux de l'appareil optique d'analyse de gaz de carneau selon la présente invention; et la figure 2 est une coupe latérale fragmentaire et schématique de l'appareil de la présente invention, instal- lé dans un carneau. Cet appareil comprend une chambre 2 à échantillon disposée en travers d'un carneau 4 et d'un côté de ce carneau à l'autre. Lorsque cette chambre 2 à échantillon se trouve dans la position représentée sur la figure 1, les gaz de combustion, indiqués généralement par une grande flèche 6, peuvent s'écouler à travers cette chambre 2. La chambre 2 est avantageusement du type illustré dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 19 640 déposée le 12 Mars 1979 par Howard A.Powers et à laquelle on peut se référer pour une description plus complète. Seule une par- tie d'une extrémité de cette chambre 2 est illustrée sur la figure 1. Une extrémité de la chambre à échantillon 2 com- porte une fenêtre 8 (représentée par un trait interrompu) réalisée en une matière convenable, transparente à la fois à la lumière visible et à un rayonnement infrarouge et qui forme une fenêtre ménagée à travers un côté du carneau 4. A l'extérieur et directement auprès de ce côté du carneau 4 est monté un trièdre trirectangle rétro-réflecteur 10, qui comprend un élément pouvant optiquement réfléchir la lumière visible aussi bien que le rayonnement infrarouge. Une seconde fenêtre 8', également transparente au rayonnement infrarouge et à la lumière visible, est éga- lement ménagée dans le côté du carneau 4 situé à l'opposé de la fenêtre 8. Un élément convergent convenable, illustré schématiquement sur la figure 1 par une lentille 12, est disposé près de cette seconde fenêtre 8'. Avantageusement, les fenêtres 8 et 8' et l'élément convergent 12 peuvent être réalisés en fluorure de calcium ou en une autre matière pou- vant transmettre à la fois l'infrarouge et la lumière visible. L'axe optique de l'élément convergent 12 et du rétro-réflec- teur 10 traverse longitudinalement la chambre 2 et définit un trajet optique pour l'énergie devant traverser la chambre 2 à partir de l'élément convergent 12 vers le rétro-réflec- teur 10 et devant revenir, à travers la chambre 2, vers l'élément convergent 12. Ce trajet optique à un seul axe est désigné par l'indice de référence 14. Une lampe à incandescence ou une autre source convenable d'énergie lumineuse visible 16, qui émet au moins une partie importante de son énergie dans la bande spectrale comprise entre 500 et 600 nanomètres, est de préférence ali- gnée sur le trajet optique 14, comme représenté sur la figure 1. Cette source 16 émet son énergie lumineuse visible vers et le long du trajet optique 14. La partie de l'énergie émise par cette source 16 vers le trajet optique 14 rencontre sur son passage une roue 18,montée de façon classique pour être entraî- née par un dispositif classique et tourner à une vitesse pré- déterminée. Cette roue 18 comporte, espacés radialement autour de son axe de rotation et vers sa périphérie plusieurs filtres neutres 22,24, 26 et 28 de densité prédéterminée disposés de façon à couper le trajet optique aligné sur le trajet optique 14. La roue 18, à rôle d'interruption périodique, comporte également plusieurs ouver- tures coopérant de façon classique avec une diode électro- luminescente 30 et un photo-transistor 32 pour émettre des signaux d'horloge destinés à indiquer le moment o chaque filtre ou chaque espace entre les filtres est aligné sur le trajet optique partant de la source lumineuse 16 vers le tra- jet optique 14. De même, la roue 18 comporte un trou supplé- mentaire coopérant avec une diode électro-luminescente 34 et un phototransistor 36 pour émettre un signal de repérage destiné à identifier celui des filtres ou des espaces entre les filtres qui est aligné sur le trajet optique. Un dédoubleur 38 du faisceau de lumière visible, qui est avantageusement du type couramment désigné comme un dédoubleur de faisceau diélectrique et permet à la moitié environ de l'énergie de la lumière visible provenant de la source 16 de le traverser vers l'élément convergent 12, est disposé entre la roue 18 et cet élément 12. De même, dans l'alignement du trajet optique 14 et entre le dédoubleur de faisceau 38 et l'élément convergent 12 est disposé un combi- nateur/séparateur de faisceau 40,qui est avantageusement réalisé en du verre comportant un léger revêtement métallique du côté voisin de l'élément convergent 12. Ce combinateur/ séparateur 40 de faisceau laisse passer la plupart de l'énergie de la lumière visible1 qui peut ainsi être concentrée par l'élément 12 et dirigée le long du trajet optique 14 vers le rétro-réflecteur 10 pour revenir à travers l'élément 12 et le combinateur/séparateur 40 vers le dédoubleur 38. L'inclinaison du dédoubleur 38 permet à la moitié environ de l'énergie lumineuse visible reçue en retour du rétro-réflecteur 10 à travers le combinateur/séparateur 40 d'être écartée par réflexion de l'axe du trajet optique 14 pour traverser une lentille convergente convenable 42 et un filtre photopique 44 choiside façon que 90% environ de l'énergie traversant ce filtre 44 se situent dans la gamme spectrale comprise entre 500 et 600 nanomètres. De ce filtre photopique 44, l'énergie lumineuse visible est ensuite dirigée vers un détecteur classique 46 au silicium qui sert de dispositif destiné à déceler le niveau de l'énergie lumineuse visible ayant traversé la chambre à échantillon 2 le long du trajet optique 14 et qui en est revenue. Avec son léger revêtement métallique disposé du côté dirigé vers l'élément convergent 12, le combinateur/ séparateur 40 de faisceau peut très fortement réfléchir. l'énergie infrarouge. L'inclinaison de ce combinateur/sépa- rateur 40 par rapport à l'axe optique 14 est également telle que l'énergie infrarouge reçue par cet élément 40 en prove- nance de l'élément convergent 12 le long de l'axe optique 14 sera également écartée de l'axe 14 et dirigée le long d'un autre axe optique 48. Sur cet axe optique 48 est alignée une source convenable 50 d'énergie infrarouge couvrant au moins la gamme spectrale comprise entre 3 et 5 microns. Entre cette source 50 d'infrarouge et le combinateur/sépara- teur 40, une roue 52 est montée de façon classique pour pou- voir tourner sous l'effet d'un entraînement classique. La figure 1 montre cette roue 52 équipée de cinq filtres.Elle contient avantageusement au moins trois filtres interféren- tiels convenables, espacés radialement autour de son axe de rotation et vers sa périphérie et qui vont sélectivement transmettre l'énergie de la bande spectrale correspondant à l'oxyde de carbone, de la bande correspondant aux hydro- carbures et d'une bande de référence se situant dans une région comprise entre 3,5 et 4,1 microns. La bande de réfé- rence est choisie de façon à éviter une absorption par un constituant quelconque des gaz circulant dans le carneau; elle permet d'effectuer une correction pour tenir compte des variations qui ne sont pas reliées aux concentrations de l'oxyde de carbone et des hydrocarbures dans le carneau. La roue 52 peut avantageusement aussi comporter des trous coopérant avec des paires convenables de diodes électro- luminescentes et de photo-transistors en vue dTindiquer les moments o chaque filtre ou chaque espace entre les filtres est en position devant la source d'infrarouge pour permettre d'identifier des échantillons de la façon décrite ci-dessus à propos de la roue 18. Un dédoubleur 54 de faisceau infrarouge compre- nant une fenêtre en germanium non revêtu est interposée entre la roue 52 et le combinateur/séparateur 40. La moitié environ de l'énergie provenant de la source 50 peut traverser ce dédoubleur 54 et être réflécuiepar le combinateur/séparateur le long du trajet optique 14 passant par la chambre à échantillon 2 pour aller vers le rétro-réflecteur 10 et en revenir vers le combinateur/séparateur 40. Elle y est réfléchie vers le dédoubleur 54 qui envoie par réflexion la moitié environ de cette énergie provenant du combinateur/ séparateur 40 vers une lentille 56 de concentration d'infra- rouges et un ensemble 58 de détection d'infrarouges. Cet ensemble 58 peut commodément comprendre un détecteur à séléniure de plomb refroidi par un dispositif thermo-électri- que ou un autre dispositif convenable. Il ressort de la description ci-dessus de l'appa- reil que des impulsions de lumière visible hachées peuvent être dirigées le long du trajet optique 14 vers la chambre 2 à échantillon qu'elles traversent pour revenir vers le dé- tecteur 46, lequel peut mesurer le niveau de l'énergie lumineuse visible se situant dans la gamme spectrale comprise entre 500 et 600 nanomètres et émettre des signaux traités de façon convenable et classique. Lorsque la cham- bre à échantillon 2 est disposée comme illustré sur la figure 1, les gaz de carneau, indiqués par la grande flèche 6, traversent cette chambreet le signal de lumière visible sera atténué par le carbone ou la suie éventuellement con- tenu dans ces gaz. Lorsque le boîtier externe de la chambre 2 à échantillon est tourné de 900, par exemple de la façon décrite en détail dans la demande précitée de brevet no 19 640, cette chambre 2 sera purgée des gaz d'échappement et ne comportera à l'intérieur que de l'air relativement propre. Pendant cette purge, la source de lumière visible et le dispositif de détection peuvent être étalonnés et normalisés en vue de fournir des mesures absolues de l'opa- cité lorsque les gaz de carneau peuvent à nouveau traverser la chambre 2. De même, on peut déterminer l'absorption de l'énergie infrarouge émise par la source 50 dans les diffé- rentes bandes spectrales choisies par les divers filtres de la roue 52 en mesurant le niveau de l'énergie infrarouge reçue par le détecteur 58 lorsque les gaz de carneau tra- versent la chambre 2 et aussi pendant la purge de cette chambre en vue d'un étalonnage et d'une normalisation. La structure particulière de l'appareil de la présente invention est remarquablement avantageuse du fait que cet appareil mesure le long dtun trajet optique corres- pondant à un seul axe à la fois l'atténuation de la lumière visible et l'absorption de l'infrarouge, et que ces mesures sont effectuées simultanément à la même position dans le carneau. Cela est avantageux non seulement pour normaliser et régler les conditions d'échantillonnage, mais aussi pour permettre d'utiliser une chambre à échantillon de diamètre relativement faible et qui trouble essentiellement peu l'écoulement des gaz dans le carneau. Si certaines bandes spectrales ont été indiquées ci-dessus pour les divers filtres, il va de soi que l'on peut disposer dans l'appareil des filtres à infrarouges correspondant à de nombreuses autres combinaisons de bandes spectrales ainsi que des filtres neutres correspondant à divers niveaux de densité et que l'on utilise avec la source de lumière visible. On peut utiliser diverses combinaisons de ces filtres-pour répondre aux règles applicables nécessairement pour des réglages et qui sont spécifiées, par exemple, par une agence de protection de l'environnement comme, notamment les règles 40 à 99 concernant la protection de l'environ- nement et émises par le comité C.F.R. Il faudra des combi- naisons différentes pour des types différents de fours ou chaudières et des combustibles différents.Il va également de soi que les signaux engendrés par le détecteur 46 de lumière visible et par le détecteur 58 d'infrarouges peu- vent être traités de toute manière convenable, de préférence par un dispositif numérique, en vue d'obtenir les données voulues sous la forme désirée. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'in- vention, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil électro-optique d'analyse de gaz de carneau, décrit et représenté. REVENDICATIONS 1. Appareil électro-optique d'analyse de gazdestiné à la mesure simultanée de l'opacité, de la teneur en oxyde de carbone et de la teneur en hydrocarbures de gaz de carneau le long d'un seul trajet de mesure traversant un carneau, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre (2) à échantillon disposée transversale- ment d'un côté à l'autre du carneau (4) et pouvant être tra- versée par l'écoulement (6) des gaz parcourant ce carneau; un dispositif définissant un trajet optique (14) à un seul axe traversant longitudinalement cette chambre (2), ce dispositif comprenant un élément (12) convergent disposé au voisinage d'un côté du carneau (4) et un élément (10) de réflexion optique disposé prés de l'autre côté de ce carneau (4) et pouvant servir à réfléchir un faisceau d'énergie radiante provenant de cet élément convergent pour le renvoyer le long du trajet optique (14) et lui faire tra- verser à nouveau cet élément (12); une source (16) destinée à produire de l'énergie lumineuse visible et à la diriger le long du trajet optique (14) vers l'élément réflecteur (10); une source (50), indépendante de la source (16) et destinée à produire une énergie infrarouge en des bandes spectrales prédéterminées se situant entre environ 3 microns et 5 microns et à diriger cette énergie infrarouge le long du trajet optique (14) vers l'élément réflecteur (10); un dispositif (46) destiné à détecter le niveau de l'énergie de lumière visible ayant traversé la chambre (2) le long du trajet optique (14), à travers l'élément con- vergent (12) vers l'élément réflecteur (10) et qui revient de cet élément (10) et a traversé l'élément convergent (12),et un dispositif (58) destiné à déceler le niveau d'énergie infrarouge ayant traversé la chambre (2) le long du trajet optique (14) en passant à travers l'élément Conver- gent (12) pour parvenir à l'élément réflecteur (10) et en revenir pour traverser à nouveau l'élément convergent (12); ce qui permet de mesurer le long d'un seul trajet optique (14) traversant la chambre (2) les niveaux d'énergie visible et de l'énergie infrarouge ayant traversé cette cham- bre (2) à échantillon de gaz. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un dispositif permettant à la fois de diviser l'énergie de la lumière visible en des impul- sions de durée et espacement prédéterminés et d'appliquer périodiquement des filtres neutres de densité prédéterminée a cette lumière visible produite par la source (16) et diri- gée le long du trajet optique (14). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif précité comprend une roue (18) pou- vant tourner pour interrompre périodiquement la propagation du faisceau et qui comporte des filtres neutres (22, 24, 26, 28) espacés radialement autour de son centre de rotation et à la périphérie de cette roue. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un dispositif destiné à- diviser l'énergie infrarouge en des impulsions de durée, d'espacement et de longueur d'onde prédéterminées. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif destiné à diviser l'énergie infrarouge comprend un élément tournant (52) comportant, espacés radialement autour de son centre de rotation et à sa péri- phérie, plusieurs filtres. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également un dédoubleur (38) de faisceau destiné à faire passer l'énergie de la lumière visible de la source (16) vers la chambre (2) le long du trajet optique (14) et à écarter de ce trajet optique (14) à un seul axe, par réflexion, la lumière visible reçue en retour de cette chambre (2) pour diriger cette lumière vers le dispositif (46) de détection du niveau de la lumière visible. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (50) d'énergie infrarouge est disposée en dehors du trajet optique (14) à un seul axe et en ce que l'appareil comprend également un combinateur/séparateur (40) de faisceauqui coupe ce trajet optique (14) et est destiné à laisser passer l'énergie lumineuse visible pour la trans- mettre et à réfléchir vers le trajet optique (14) à un seul axe l'énergie infrarouge provenant de la source (50). 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend également un dédoubleur (54) de faisceau interposé entre la source (50) d'énergie infrarouge et le combinateur/séparateur (40) et destiné à faire passer l'éner- gie infrarouge de la source (50) à ce combinateur/séparateur (40) et à réfléchir vers le dispositif (58) de détection de l'infrarouge l'énergie infrarouge reçue en retour de la cham- bre (2).