Brevet FR2485201A1 — publié le 19811224

L'invention se rapporte à un procédé de mesures de gran- de précision eflectuées in situ et de façon continue des con- centrations de gaz et produits volatils ainsi qu'aux appareils de mise en oeuvre du procédé. On connait des procédés de mesures permettant de surveil- ler les variations de concentration de gaz ces mesures étant effectuées en continu au laboratoire. Cependant ces mesures ne portent que sur des gaz à la pression atmosphérique ou à des pressions plus faibles, et il n'y a aucune difficulté à utili- ser tous appareillages connus pour effectuer de telles mesures. Par contre lorsque l'on désire étudier de très faibles variations de concentrations de gaz susceptibles de contenir en outre des produits volatils, ce gaz se présentant sous des pressions variables, comme cela est notamment le cas d'émanations-volcaniques o la pression des gaz peut être considérable et fluctuer entre de très larges limites, on ne dispose d'aucun moyen capable d'effectuer de telles mesures en continu in situ et sur une longue période. Il existe bien des appareils capables d'effectuer des prélèvements de gaz de sources volcaniques afin de mesurer les concentrations par chromatographie en phase gazeuse mais ces appareils ne permettent pas d'opérer des mesures de façon continue. En outre de tels appareils bien qu'ayant des seuils de détection d'abondance de l'ordre de 50 ppmn lorsque la-mesure est faite in situ et de 15 à 20 ppm en laboratoire sont encore insuffisants notamment dans le cas de prévisions d'éventuelles éruptions volcaniques car ils ne peuvent ni détecter de très faibles écarts de concentrations ni la présence d'un élément nouveau à très faible concentration. Or une telle détection est indispensable pour déceler et mesurer les apports d'élé- ments provenant des fuites des couches inférieures situées par exemple à une trentaine de kilomètres de profondeur et qui peuvent être pertubés par l'atmosphère et les eaux dans des cycles dont on ne peut établir l'évolution que par des mesures systématiques et de façon continue sur une longue période. En résumé on sait mesurer avec une grande précision les variations de concentrations de gaz, par exemple au moyen d'un spectromètre de masse, mais alors les mesures ne peuvent s'ef- fectuer qu'en laboratoire à l'aide d'appareillages volumineux ou bien encore on sait mesurer des variations de concentration in situ mais alors les mesures sont discontinues et manquent de précision pour la détection de faibles concentrations. L'objet de la présente invention est un procédé de mesu- re de grande précision des concentrations de gaz et produits - volatils de tous sites naturels ou non caractérisé en ce que l'on prélève en continu de façon systématique en permanence ou sur une très longue période les gaz et produits volatils dont on désire connaître les variations de concentration, en ce que l'on canalise le mélange dans un circuit à faible débit que l'on fait communiquer-avec une enceinte de détente o la pression est abaissée à une valeur de l'ordre de 10 2 atmos- phère en règlant le débit du mélange dans ladite enceinte et en ce que l'on introduit ledit mélange dans la chambre d'ana- lyse d'un spectromètre de masse en contr8lant le débit de la- dite enceinte de détente vers la chambre d'analyse que l'on maintient à une pression stable et très faible de l'ordre de 5 atmosphère. Un tel procédé présente l'avantage de pouvoir mesurer avec une précision de l'ordre de 2 ppm et de façon continue les concentrations d'éléments gazeux ou volatils provenant de toute émergence qu'il s'agisse de très faibles émanations ou de fuites à forts débits, les pressions pouvant atteindre 5 atmosphères par exemple. En particulier, s'il s'agit de surveiller un site vol- canique on mesure les variations de concentrations des éléments en tous points désirés, de telle sorte qu'il devient possible d'étudier avec rigueur toute corrélation en vue d'établir des prévisions d'éventuelles éruptions alors qu'aucune méthode permanente jusqu'à ce jour ne permettait d'établir la prévision de tels risques. Un autre objet de l'invention est un appareil de mise en oeuvre du procédé ainsi défini caractérisé en ce qu'il comprend une sonde métallique semi souple inoxydable, reliée par un conduit à faible débit à une enceinte de détente connectée d'une part à une pompe de transfert des gaz, d'autre part à une jau- ge de pression de ladite enceinte, une vanne d'entrée contrôlant le débit accédant à ladite enceinte, une vanne piézo-électri- que reliant ladite enceinte de détente à l'enceinte d'analyse d'un spectromètre de masse, ladite vanne piézo-électrique-étant contr8lée par une jauge ionique de coritr81e de la pression de l'enceinte d'analyse ou par le-spectromètre lui-même. Quelle que soit la pression des gaz dirigés en permanen- ce vers l'appareil il est donc possible de régler le débit d'accès à la chambre d'analyse du spectromètre de masse avec une grande précision et d'évaluer en permanence toute variations des concentrations des éléments du mélange sans que les temps de réponse du dispositif soient prohibitifs. En effet le dis- o10 positif utilisé permet encore en raison des vannes d'accès d'éviter l'emploi de longs tubes capillaires destinés à abais- ser la pression à un niveau prédéterminé mais dont l'emploi accroit les temps de réponse des appareils auxquels ils sont connectés. Une autre caractéristique de l'invention est un appareil de ce type dont le spectromètre de masse est un spectromètre quadrupolaire de telle sorte que I'ensemble de l'appareil et des pompes de vidage et d'établissement de faibles pressions soit aisément inséré dans un logement étanche de faibles dimen- sions, les mesures fournies par le spectromètre de masse étant transmises par câbles ou radio à toute station éloignée du lieu de mesure. Il devient alors possible d'utiliser un tel appareil en tout lieu difficile d'accès l'appareil pouvant être aisément transporté par hélicoptère. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de la présente invention. Sur le dessin, la figure unique représente sous forme schématique l'ensemble de l'appareil de mesure dans son encein- te et des éléments connectés. L'enceinte, figurée en 1, peut prendre toute forme dési- rée fonction des servitudes d'emploi mais se présente de pré- férence sous une forme parallélépipédique,étanche à la pluie et de dimensions réduites en raison des procédés et des moyens de mise en oeuvre adoptés. Ces accès aux divers organes peu- vent être obtenus par tous moyens connus au moyen d'un poste 2 extérieur à l'enceinte. Ce poste de contrôle et de commande général 2 est connecté au dispositif d'alimentation électrique 3 4 2485201 par le câble de liaison multiple 4,-le dispositif 3 alimen- tant en tension les divers éléments de l'appareil. Une sonde de prélèvement des gaz et produits volatils a été schématisée en 5. Cette sonde est introduite en permanen- ce dans un -évent approprié. Le prélèvement ainsi recueilli est canalisé de préférence par un tube métallique 6 inoxydable semi souple dont l'extrémité amont pourvue d'un reniflard comprend un filtre 7, suivi-éventuellement de tout dispositif de piègea- ge de l'eau et du gaz carbonique schématisé en 8. Un raccord 9 amène les gaz et produits volatils prélevés à l'entrée 10 de l'appareil, cette entrée étant reliée à une enceinte de dé- tente 11. Une vanne 12, par exemple une vanne à pointeau, ou une vanne quelconque asservie permet de régler le débit des gaz et produits volatils prélevés pour maintenir une pression bien déterminée de 10-2 astmosphère par exemple dans l'enceinte de détente 11 en vue d'assurer la reproductibilité des mesures. A cet effet l'enceinte 11 est reliée à la pompe 13 par le conduit 14. Cette pompe est de préférence une pompe à palet- tes biétagée d'un débit de 4,5 m3 par heure. La sortie des gaz hors de l'enceinte 1 s'effectue par le conduit 15 dont l'ex- trémité est dirigée vers le sol. Une jauge de pression 16, du type "Pirani" par exemple, alimentée par le câble 17 fournit la valeur de la pression sur l'indicateur 18 du poste de con- tr8le et de commande 2. Ce poste peut aussi comporter un moyen de réglage de la vanne 12, ce réglage manuel ou automatique étant effectué pour maintenir une pression constante de l'or- dre de 10-2 atmosphère dans l'enceinte 11. L'enceinte de détente 11 est raccordée à l'enceinte d'a- nalyse 19 du spectromètre de masse 20 par la canalisation 21 et sous le contrôle de la vanne piézo-électrique 22. Cette vanne est contrôlée automatiquement par la jauge ionique 23 raccordée à l'enceinte d'analyse 19 au moyen du raccord métal- lique 24 ou encore directement contr81ée par le spectromètre lui- même. La jauge ionique 23 et la vanne piézo-électrique 22 sont alimentées par le câble électrique 25 et les dispositifs 26 et 27, le dispositif 27 commandant directement la vanne piézo- électrique 22. Le circuite de réaction 27 a été représenté de façon schématique, ce circuit pouvant être de tout type connu. Le réglage et la commande du circuit de réaction 27 en f'onction de la pression de l'enceinte d'analyse 19 sont tels 2485201 qu'ils permettent de faire varier le débit des produits volatils et des gaz détendus de l'enceinte 11 vers l'enceinte d'analyse 19 pour y maintenir une pression stable de 10-5 atmosphère. Ils peuvent en outre entraîner la coupure par la vanne 22 de-toute communication entre les deux enceintes Il et 19 afin d'obtenir une parfaite sécurité de l'appareil notamment en cas d'inciden- ce de fonctionnement susceptible d'affecter le filament du spectromètre 20. L'enceinte d'analyse 19 est vidée au moyen d'une pompe primaire 28, de même type que la pompe 13, pouvue d'une canali- sation de sortie 29 et du raccord 30 relié à la sortie de la pompe ultra-rapide 31 qui est de préférence une pompe à diffu- sion d'huile. A titre d'exemple cette pompe-peut être une pompe à trois étages d'un débit de 2501/s. Afin d'éviter les rétro- diffusions d!huile, la pompe est surmontée d'un balle 32, le refroidissement de la pompe étant assuré par une ventilation forcée. Ce pompage peut aussi être assuré par tout autre moyen connu, tel une pompe turbo par exemple. Un ensemble de moyens de commande et de visualisation 33 du poste de commande 2 permet de contrôler chacune des pompes 13, 28 et 31 alimentées respectivement par les circuits élec- triques 34, 35 et 36, Le poste 2 permet de même le contrêle de la jauge ionique 23 et du circuit de réaction 27 commandant la vanne piézo-électrique 22. Les résultats de l'analyseur 20 qui est un spectromètre de masse du type quadrupolaire alimenté par le câble 37 sont transmis pas le câble 38 à un dispositif de traitement de l'in- formation 39 éventuellement connecté par le câble 40 au poste de contrôle et de commande 2. Le dispositif 39 peut être un dispositif de calcul numérique ou analogique et peut être si- tué à toute station plus ou moins éloignée du site d'analyse. Il peut être connecté au moyen du câble 43 à tous appareils auxiliaires de visualisation 41 ou d'impression 42. Il est ainsi possible, quelles que soient les difficultés d'accès au site choisi, de disposer l'enceinte 1 de dimensions réduites, de l!ordre par exemple de 40x50x60 cm au moins, au voisinage immédiat de ce site et de procéder à des mesures de très faibles concentrations de gaz en vue de détecter des va- riations des éléments tels que 1-l, He, CH4, NH3 etc... dans une 6 2485201 masse de il20, C02, Na, l'appareil ainsi réalisé ayant une sen- sibilité en abondance de l'ordre de 2 ppm. L'appareil étant au voisinage du site, fonctionnant de façon autonome et étant contrôlé en permanence par le poste 2 éventuellement asservi au système de traitement de données 39, on peut, en fonction des-résultats obtenus, procéder à la répétition des cycles de prélèvement par la sonde 5 et d'intro- duction dans l'enceinte d'analyse 19 en transitant par l'encein- te de détente 11, selon des fréquences variables. Le temps de réponse cle l'appareil peut être très court puisque d'une part ses dimensions réduites se prêtent à une possibilité d'instal- lation très proche de l'évent choisi et qu'en raison des con- trôles des vannes 12 et 22 il n'est pas nécessaire de relier l'appareil à la sonde 5 par un capillaire s'étendant sur toute la distance existant entre sonde et appareil. Si l'on désire détecter les variations des concentrations de gaz émanant d 'émergences volcaniques on peut effectuer ai- sément par ce procédé l'analyse systématique et permanente sur le site même des gaz tels que: H, He, CH4 de masse 16, 15 et 14, NH de masse 17, 16 et 15, H 0 de masse 18 et 17, Ne de 3 2 - masse 20 et 22, N2 O2' H.S de masse 28,32 &34,HCl de masse 36 et 38, Ar, C02 de masse 44 et 28, SQ2 de masse 64 et 48 etc... Si l'on doit surveiller toute une zone volcanique on peut connecter un dispositf de calcul unique 39 à plusieurs encein- tes 1 dont chacune reçoit en permanence les émanations d'une émergence voisine. L'appareil peut également être utilisé pour contrôler les dégagements gazeux de forages géothermiques et détecter les anomalies de gaz en géothermie ou en recherche minière. On peut alors coupler l'appareil à une sonde de scintillation 44 en vue de la détection et de la mesure simultanée du Radon. Cette sonde de type habituel peut être connectée par toute jonction appropriée à l'enceinte de transfert et de détente 11. L'alimentation en courant de la sonde a été schématisé par le fil 45 et la sortie par le fil 46. REVENDICATIONS. 1 ) Procédé de mesure de grande précision des concentra- tions de gaz et produits volatils émanant de tous sites natu- rels ou non caractérisé en ce que l'on prélève de façon conti- nue ou sur une très longue période, les gaz et produits vola- tils dont on désire connaître les variations des concentrations, en ce que l'on canalise le mélange dans un circuit de faible débit que l'on fait communiquer'avec une enceinte de détente o la pression est abaissée à une valeur bien déterminée de l'ordre de 10 2 atmosphère en réglant le débit du mélange dans ladite enceinte, et en ce que l'on introduit ledit mélan- ge dans la chambre d'analyse d'un spectromètre de masse en contrôlant le débit de ladite enceinte de détente vers la chambre d'analyse que l'on maintient à une pression stable et très faible de l'ordre de 10- 5 atmosphère. 2 ) Procédé tel que revendiqué en 1 selon lequel les opérations de prélèvement et de transfert dans les enceintes de détente et de mesure sont contr8ôlées par un poste de com- mande disposé au voisinage du spectromètre de masse. 3 ) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 et 2 selon lequel les mesures sont transmises à un.dispositif de traitement de l'information se trouvant à une station éloignée du site des mesures, les moyens de comman- de du spectromètre de masse étant autonomes. 4 ) Procédé tel que revendiqué en 3 dont le dispositif de traitement de l'information contrôle la fréquence de répé- tition des cycles de mesures en fonction des valeurs des concentrations obtenues. ) Appareil de mise en oeuvre du procédé revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comprend une sonde métallique (5) semi-souple inoxy- dable reliée par une conduite à faible débit (9) à une encein- te de détente (11) connectée d'une part à une pompe de trans- fert des gaz (13), d'autre part à une jauge de pression (16) de ladite enceinte, une vanne d'entrée (12) contrôlant le débit des gaz accédant à ladite enceinte (11), une vanne piézo-élec- trique (22) reliant ladite enceinte de détente (11) à l'encein- te d'analyse (19) d'un spectromètre de masse (20), ladite vanne piézoélectrique (22) étant contr8ôlée par une jauge ionique (23) de contrôle de la pression de l'enceinte d'analyse (19). 8 2485201 6 ) Appareil tel que revendiqué en 5 dont-le spectro- mètre de masse (20) est un spectromètre quadrupolaire logé dans une enceinte (1) étanche et transportable ladite enceinte contenant une pompe à diffusion d'huile (31) à grand débit surmontée d'un bafle (32) destiné à réduire les rétrodiffusiono d'huile dans l'enceinte d'analyse (19), une première pompe (28) assurant le vide primaire en vue de vider l'enceinte d'analyse (19), une seconde pompe(13) assurant le maintien de la pression de l'enceinte de détente (11), les vannes de contrôle (12) d'entrée des gaz dans l'enceinte de détente (11) et d'entrée (22) dans la chambre d'analyse (19) ainsi que la source d'ali- mentation en tension (3) de l'ensemble de ces éléments. 7 ) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 5 et 6 dont l'ensemble des éléments est contr8ôlé par-un poste (2) extérieur à l'enceinte. 8 ) Appareil tel que revendiqué en 7 dont la sortie du dispositif de mesure de spectromètre (20) est connectée à un câble de transmission (38) des données à un système de traite- ment de l'information (39) et de ses équipements de visualisa- tion (41) et d'impression (42) éloignés du site de mesure. ) Appareil tel que revendiqué en 8 dont le poste (2) de contrale et de commande des éléments contenus dans l'encein- te (1) est contrôlé par les résultats d'un dispositif de trai- tement des informations (39).fournies par le spectromètre de masse (20). ) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 5 à 9 dont l'enceinte de transfert et de détente (11) est connectée à une sonde de scintillation (44).