Brevet FR2495319A1 — publié le 19820604

La présente invention concerne un détecteur de rayonnement destiné à un avertisseur de flammes, comprenant un élément de détection et, disposé devant celui-ci, un dispositif à filtres, qui est transparent au rayonnement de résonance du gaz carbonique. Les avertisseurs de flammes sont soumis dans la pratique à des rayonnements parasites de types différents qui peuvent déclencher un signal d'alarme erroné. Par les brevets de la Confédération Helvétique 509 633, 519 761, 537 066 ou 558 577, on connaît des avertisseurs de flammes qui, pour discriminer une flamme de rayonnements parasites, comme la lumière du jour, des rayonnements solaires ou des sources de lumière artificielle, qui conduisent à des pro- priétés différentes des flammes, par exemple le tremblotement irrégulier, et donc les fluctuations d'intensité irrégulières qui en résultent, du rayonnement des flammes ou la tempéra- ture de couleur particulière ou la composition spectrale du rayonnement des flammes. Comme certains rayonnements para- sites peuvent présenter cependant des composantes du rayon- nement, ayant des propriétés semblables, et comme ces ra- yonnements parasites sont en pratique souvent plus intenses de plusieurs ordres de grandeur qu'un rayonnement de flam- mes à détecter, de tels avertisseurs de flammes ne sont pas absolument sûrs du point de vue d'une fausse alarme et ne peuvent pas être réglés à la sensibilité la plus élevée possible. Par le brevet français 2 151 148 et par un article de K. Nakajima paru dans Report of Fire Research Institute of Japan, 30 (Décembre 1969), pages 55 à 61, il est connu que le rayonnement d'une flamme est constituée principalement d'une intensité de crête à bande étroite dans la région spectrale du rayonnement de résonance du gaz carbonique à environ 4,3 - 4,4 pm, en plus d'un domaine spectral à bande large, nettement moins intense, dans la plage du rayonnement visible et du proche infrarouge. Le rayonnement de réso- nance du gaz carbonique se produit pratiquement exclusive- ment pour des flammes qui se créent lors de la combustion de substances organiques, mais pratiquement jamais ou avec seulement une intensité éphémère pour des rayonnements pa- rasites. Un avertisseur de flammes qui évalue, à côté d'autres critères, essentiellement le rayonnement de ré- sonance du gaz carbonique, est donc nettement plus sûr du point de vue des fausses alarmes et moins sujet à tomber en panne qu'un avertisseur de flammes qui évalue le rayon- nement ultraviolet, la lumière visible ou le proche in- frarouge. L'inconvénient de ces avertisseurs de flammes évaluant le rayonnement de résonance du gaz carbonique était cependant que les détecteurs de rayonnement qui y étaient utilisés avaient des bandes passantes trop larges et laissaient passer ainsi d'autres composantes du rayon- nement. Les filtres interférentiels courants pour 4,3 pm possèdent par exemple des bandes latérales qui se situent dans l'infrarouge proche ou dans la plage visible, de sor- te qu'un rayonnement parasite dans ces régions spectrales est également détecté. Nakajima utilise donc un filtre fa- briqué spécialement par le laboratoire Optical Coating La- boratory, dont la bande passante comprent certes le rayon- nement de résonance du gaz carbonique, mais qui a encore une bande trop large (3,9 à 5,2 pm) pour une utilisation pratique. Afin d'éliminer un rayonnement parasite voisin, il faut utiliser un élément photosensible au séléniure de plomb qui intercepte le rayonnement ayant une longueur d'onde supérieure à 4,3 Pm. L'inconvénient est qu'à tem- pérature normale, le rayonnement de résonance du gaz car- bonique se trouve déjà au bord de la pente décroissante de la sensibilité, de sorte que l'on ne peut pas tirer pleine- ment profit du rayonnement de flammes, que la sensibilité de l'avertisseur de flammes ne peut pas atteindre la meil- leure valeur possible et que les récepteurs de rayonnement ne peuvent pas être choisis d'une manière optimale. Des détecteurs au séléniure de plomb ont en outre l'inconvénient de ne pouvoir être utilisés que jusqu'à 550C environ. Un autre problème des filtres interférentiels réside dans la variation de la courbe de transmission en fonction de l'an- gle d'incidence. Lorsque le rayonnement arrive sur le filtre sous une incidence oblique, la bande passante se décale un peu vers les longueurs d'onde plus courtes. Ce- ci peut avoir l'inconvénient que la lumière parasite arri- vant sous une incidence oblique peut déranger l'avertis- seur. Au brevet publié en République Fédérale d'Alle- magne sous le No. 28 23 411, on décrit déjà un avertisseur de flammes dont le récepteur de rayonnement présente un dispositif à filtres constitué d'un filtre en quartz et d'un filtre au germanium. Le filtre en quartz limite les longueurs d'onde du rayonnement évaluées vers le haut à 4,5 pm environ, tandis que le filtre au germanium écarte les rayonnements inférieurs à 1,5 lim environ. L'inconvé- nient est que la bande d'absorption du filtre en quartz chevauche déjà la région de résonance du gaz carbonique, de sorte qu'une partie du rayonnement de résonance est absorbée. La sensibilité d'un tel avertisseur de flammes n'est donc pas optimale non plus. L'invention se donne pour but de pallier les in- convénients mentionnés ci-dessus de l'état de la technique et notamment de créer un avertisseur de flammes moins su- jet aux perturbations, moins sujet aux fausses alarmes et ayant une sensibilité plus élevée. Suivant l'invention, le dispositif de filtres comprend une combinaison d'un premier élément filtrant choisi parmi les filtres en germanium et ceux en silicium, d'un autre élément filtrant choisi parmi les filtres en saphir, les filtres en rutile et les verres à l'aluminate de calcium, au germanate de calcium ou au fluorure de ma- gnésium, transparents aux rayons infrarouges, et d'un fil- tre à bande étroite transparent au rayonnement de résonan- ce du gaz carbonique. Comme élément de détection, on peut utiliser alors un élément pyroélectrique qui assure une sensibilité optimale. L'invention est explicitée sur un exemple de réa- lisation d'un détecteur de rayonnement représenté à la figure. Ce détecteur de rayonnement présente un boîtier 1 pour l'avertisseur, qui est fermé à peu près hermétique- ment et à l'intérieur duquel est disposée une plaquette à circuit imprimé qui porte le circuit d'évaluation du détecteur de flammes. Sur la plaquette 10 à circuit im- primé, est enfiché et soudé un autre boîtier 11 du type TO-5 courant dans le commerce. Sur la face antérieure de cet autre boîtier 11 est prévu un premier élément de fil- tre 6. Celui-ci est constitué d'un disque 6 en germanium d'un millimètre environ d'épaisseur. Des deux côtés de ce disque 6 en germanium sont déposés par dépôts en phase vapeur des filtres 5 et 5' à bande étroite. Ces couches et 5' formant filtres interférentiels peuvent être compo- sées aussi, comme il est connu, de plusieurs couches de manière à créer un filtre à bande étroite ayant une bande de transmission allant de 4,1 à 4,8 Mm ou, de préférence de 4,3 à 4,4 vM. Sur la face antérieure du boîtier 1 de l'avertisseur est luter un autre élément filtrant 4, qui est constitué d'un disque en saphir de 1 mm d'épaisseur environ. Cet élément filtrant 4 donne une limite supé- rieure à 5,5 pm environ, tandis que l'élément filtrant 6 au germanium donne une limite inférieure à 1,5 lm environ. Au lieu de l'élément filtrant en saphir, on peut utiliser aussi un filtre en rutile, un verre à l'aluminate de calcium, par exemple de type IRG 11 (fourni par la so- ciété Schott), un verre au germanate, par exemple du type IRG 2 (fourni par la société Schott) ou un verre au fluoru- re de magnésium, par exemple de type Irtran 1 (fourni par la société Eastman Kodak) et au lieu d'un filtre en germa- nium, on peut utiliser un filtre en silicium. Sur l'autre élément filtrant 4, on peut déposer un filtre supplémentaire 12, qui a une bande d'absorption à une longueur d'onde de 4 pm environ. La substance cons- tituant le filtre supplémentaire 12 doit en tout cas être transparente entre 4,1 et 4,7 pm, tandis qu'elle doit absorber un rayonnement ayant une longueur d'onde dans la région de 3,5 à 4,0 Fm. Ce filtre supplémentaire 12 li- mite le rayonnement qui, pour des longueurs d'onde infé- rieures à 4,0 pm et pour une incidence oblique, est trans- mis par les filtres à bande étroite 5 et 5'. Les maté- riaux suivants se sont révélés particulièrement avantageux comme filtre supplémentaire 12: la résine Dymerex (colo- phane dimérisée à 80% fournie par la société Hercules), la colophane polymérisée (indice d'acide = 160) (colophane polymérisée par de l'éthérate de BF3; préparation de laboratoire fournie par la société K. Hultzsch, CWA), la résine de polypal (colophane polymérisée fournie par la société Hercules), le gamopal P (kopal congo préparé par fusion, partiellement estérifié; fourni par la société Masereel), le liodammar EH (produit de transformation du dammar; fourni par la société Sichel-Werke), le liodammar N (laque à base de dammar; fournie par la société Sichel- Werke), le perbunan-latex KA 5408 (copolymère de butadiè- ne, de styrène, d'acrylonitrile et d'acide méthacrylique; fourni par la société Bayer), le perbunan-SN-latex 15 M (copolymère de butadiène, de styrène, d'acrylonitrile et d'acide méthacrylique: fourni par la société CWH) et le butakon ML 501 (copolymère de butadiène et de méthacrylate de méthyle; fourni par la société ICI)o Un élément pyroélectrique, dont la sensibilité va jusque dans l'infrarouge lointain et qui présente une sensibilité optimale dans toute la bande de résonance du gaz carbonique, est prévu en tant que détecteur de rayonne- ment 2 sur la plaque de fond 7 à l'intérieur du boîtier 11 de type TO-5. Un élément pyroélectrique en tantalate de li- thium s'est révélé convenir particulièrement bien. D'au- tres éléments qui conviennent sont ceux en sulfate de tri- glycine, en zirconate et titanate de plomb (céramique PLZT) ou en zirconate de plomb-niobiate de fero Une pellicule pyroêlectrique en poly(difluorure de vinyle) convient aussi. Ces éléments pyroélectriques qui conviennent pour des aver- tisseurs de flammes sont fabriqués et diffusés par exemple par les sociétés Eltec (Etats-Unis d'Amérique) et Plessey (Angleterre), Pour une surface sensible au rayonnement de 2 x 2 mm par exemple, dont on dispose dans des avertisseurs de flammes courants, on obtient donc une sensibilité parti- culièrement bonne. L'agencement de l'élément de détection 2 est tel,dans l'exemple décrit, que l'avertisseur de flam- mes embrasse un angle de 135 C environ Avec la combinaison de filtres décrite, on arrive à limiter la bande passante au voisinage immédiat de la raie de résonance du gaz carbonique entre 4,3 et 4,4 pm. Dans la région de la lumière visible et dans le proche infrarouge jusqu'à 1,5 pm, cette combinaison présen- te une opacité absolueo Entre 1,5 Mm jusqu'au bord infé- rieur de la bande passante pour le gaz carbonique, (4,1 v'm environ) et entre le bord supérieur de la bande passan- te (4,8 vm environ) jusqu'au bord supérieur du filtre au saphir, il y a une atténuation de la lumière incidente d'au moins 1000, c'est-à-dire une transparence inférieure à 0,1%. Au-delà du bord supérieur du filtre au saphir à 6 pm, il y a à nouveau une opacité pratiquement absolue. Des rayonnements parasites, comme la lumière solaire et la lumière du jour, ainsi que des sources lumineuses ar- tificielles, comme des lampes à incandescence, des lampes fluorescentes et d'autres parasites comme des étincelles de soudure, etc., qui ne présentent pas un maximum d'inten- sité accusé aux longueurs d'onde de résonance du gaz car- bonique, sont donc écartés à peu près totalement de l'élé- ment de détection par le filtre décrit, même si leur in- tensité est nettement plus importante que celle du rayonne- ment de flammes et représente par exemple plus de mille fois celle du rayonnem ent de flammes. Il est donc possi- ble de reconnaître, avec une sécurité extraordinaire, une formation de flammes tout au début, même en présence de lumière et d'un autre rayonnement parasite et de la dis- tinguer d'un autre rayonnement. En utilisant la combinai- son de filtres décrite, on peut utiliser un élément de détection particulièrement sensible, comme l'élément pyro- électrique décrit, sans qu'il se produise une perte de sensibilité. La sensibilité est plus que doublée en com- paraison avec les combinaisons de filtres antérieures à élément filtrant au quartz. L'élément pyroélectrique 2 est relié par des con- nexions 3 au circuit d'évaluation, qui est imprimé sur la plaquette 10 et qui déclenche un signal correspondant lors de la présence et de la détection d'un rayonnement de flammes. Il suffit, en principe, à cet effet d'un commu- tateur à valeur de seuil, comme on l'a déjà décrit maintes fois dans la technique des avertisseurs d'incendie. Comme l'élément pyroélectrique possède des propriétés différen- tielles, c'est-à-dire que son signal de sortie ne corres- pond pas à la valeur absolue, mais à la vitesse de varia- tion, des signaux constants ou ne se modifiant que lente- ment sontbloqués automatiquement. Un avertisseur de flam- mes, équipé du détecteur de rayonnement décrit, n'a donc besoin que d'un circuit d'évaluation simple et peu compli- qué et est donc pour cette raison d'un fonctionnement net- tement plus sûr et moins sujet à tomber en panne que les avertisseurs de flammes antérieurs. Néanmoins la sélecti- vité pour les flammes et l'insensibilité aux rayonnements parasites est nettement améliorée. Pour le cas cependant o, dans des conditions d'utilisation particulièrement dé- favorables, il est nécessaire d'avoir une sélectivité pour un rayonnement de flammes encore plus grande ou pratique- ment absolue, on peut aussi agencer le circuit d'évaluation de manière à tirer parti pour l'évaluation d'autres critè- res des flammes, comme il est connu par exemple par les bre- vets de la Confédération Helvétique 509 633, 519 761, 537 066 ou 558 577. Dans le même dessein, le détecteur de rayonnement décrit peut être relié à un second détecteur de rayonnement sensible à la lumière visible ou à l'infra- rouge lointain, et prévu dans un circuit logique, comme il est connu par les demandes de brevet publiées en Républi- que Fédérale d'Allemagne sous les numéros 2 823 410 ou 2 823 411. REVENDICATIONS 1) Détecteur dé rayonnement, destiné à un avertis- seur de flammes, comprenant un élément (2) de détection et, disposé devant celui-ci, un dispositif à filtres, qui est transparent au rayonnement de résonance du gaz carbonique, caractérisé en ce que le dispositif à filtres comprend une combinaison d'un premier élément filtrant (6) choisi par- mi les filtres en germanium ou ceux en silicium, d'un au- tre élément filtrant (4) choisi parmi les filtres en sa- phir, les filtres en rutile et les verres, transparents aux rayons infrarouges, à l'aluminate de calcium, au ger- manate de calcium ou au fluorure de magnésium et d'un fil- tre (5, 5') à bande passante étroite pour le rayonnement de résonance du gaz carbonique. 2) Détecteur de rayonnement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la bande passante du filtre (5, 5') à bande étroite englobe les longueurs d'onde de résonance du gaz carbonique à 4,3 à 4,4 1im environ. 3) Détecteur de rayonnement suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la bande passante du filtre (5, 5') à bande étroite va de 4,1 à 4,8 Pn. 4) Détecteur de rayonnement suivant l'une des reven- dications 2 ou 3, caractérisé en ce que le filtre (5, 5') à bande étroite est agencé en filtre interférentiel. 5) Détecteur de rayonnement suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le filtre interférentiel est cons- titué de plusieurs couches (5, 5') déposées en phase va- peur, de préférence sur les deux côtés de l'élément de filtrage en germanium (6). 6) Détecteur de rayonnement suivant l'une des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de détec- tion (2) est agencé en détecteur pyroélectrique. 7) Détecteur de rayonnement suivant l'une des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de dé- tection (2) est en tantalate de lithium, en zirconate et titanate de plomb, en zirconate de plomb-niobiate de fer, en poly(difluorure de vinyle) ou en sulfate de triglycine. 8) Détecteur de rayonnement suivant l'une des re- vendications I à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu un filtre supplémentaire (12) qui absorbe le rayonnement ayant une longueur d'onde dans la région de 3,5 à 4,0 pm et qui est transparent pour le rayonnement ayant une lon- gueur d'onde de 4,1 à 4,7 ôm. 9) Détecteur de rayonnement suivant la revendica- tion 8, caractérisé en ce que le filtre supplémentaire (12) est déposé sous la forme d'une couche sur l'autre élément filtrant (4). ) Détecteur de rayonnement suivant l'une des re- vendications 8 et 9, caractérisé en ce que le filtre sup- plémentaire est en résine de Dymerex, en colophane polymé- risée (indice d'acide 160), en résine polypal, en Gamopal P, en liodammar EH, en liodammar N, en perbunan-latex KA 5408, en perbunan-SN-latex 15 M ou en butakon ML 501o