Brevet FR2496879A1 — publié le 19820625

L'invention concerne un détecteur de flammes dans lequel, lors de la présence de flammes, un rayonnement électromagnétique est envoyé par l'intermédiaire d'au moins un dispositif à guide d'onde de rayonnement à un récepteur d'onde de rayonnement auquel est relié un circuit d'évalua- tion et de signalisation. De tels détecteurs de flammes peuvent par exemple servir à déterminer, dans une installation de chauffage s'il existe une flamme et à signaler l'absence de flammes, ou, dans le cas d'une mise en oeuvre dans une installation de signalisation d'un incendie, à signaler la formation non souhaitée de flammes et de déclencher un signal d'alarme. Ceci a lieu par la détection du rayonnement élec- tromagnétique issu de la flamme, avec un récepteur de rayonnement auquel est relié un circuit d'évaluation et de signalisation approprié, comme par exemple décrit dans les brevets US Nos. 3.820.097, 3.996.221 ou 3.940.753. De tels dispositifs de détection des flammes connus présentent l'inconvénient qui réside dans le fait que le récepteur de rayonnement est soumis à une charge thermique par le rayonnement thermique des flammes. Par suite d'un échauffement inadmissible du détecteur de rayonnement, de telles installations de signalisation de flammes peuvent perdre leurs capacités de fonctionnement, en sorte qu'un signal de flammes correct n'est pas émis. Afin d'éviter un échauffement inadmissible du ré- cepteur de rayonnement,il est connu, comme décrit par exem- ple dans les brevets accordés en République Fédérale d'Allemagne sous les Nos. 1.473.226 et 2.834.925,de trans- mettre le rayonnement électromagnétique issu d'une flamme, par le moyen d'un guide d'onde de rayonnement, également connu sous la forme d'une fibre optique, au récepteur de rayonnement qui est disposé à l'extérieur de la zone de rayonnement de la flamme et protégé contre l'action de la chaleur. Il est vrai que de cette manière on obtient une protection fiable contre un suréchauffement et on améliore la sécurité de fonctionnement, mais il faut admettre l'in- convénient que les guides d'onde de rayonnement ou fibres optiques habituelles sont de préférence appropriés pour de la lumière à longueur d'onde plutôt grande ou pour l'infrarouge proche. La mise en oeuvre de tels dispositifs de détection de flammes opérant avec des guides d'onde de rayonnement est de ce fait limitée à la preuve de l'exis- tence ou à la signalisation de flammes à composantes impor- tantes dans le spectre de la lumière ou de l'infrarouge, par exemple de flammes provenant de la combustion de fuel ou d'un carburant liquide. Toutefois, ce qui présente un inconvénient c'est que le rayonnement thermique ambiant, par exemple dans des fours, se situe dans la même plage spectrale, en sorte que des circuits d'évaluation compli- qués sont nécessaires pour faire la distinction entre les flammes. Des flammes d'un gaz, particulièrement des flammes à l'hydrogène ou des flammes à forte teneur en hydrogène peuvent à peine ou difficilement être détectées avec de tels dispositifs de détection de flammes, car leurs compo- santes en lumière et en infrarouge ne se différencient pas du rayonnement ambiant. De telles flammes qui sont pra- tiquement invisibles ne peuvent être identifiées que par le rayonnement dans la plage spectrale de l'ultraviolet dans le voisinage d'environ 250 nm. La figure 2 montre cette différence caractéristique à l'aide de répartitions spectrales caractéristiques de différentes flammes. A représente un exemple d'une flamme au mazout, avec une con- tinuité de l'ultraviolet à l'infrarouge, alors que B repré- sente une flamme à l'hydrogène avec un maximum dans l'ultra- violet à 250 nm. Afin de pouvoir détecter des flammes de tout genre, y compris des flammes du gaz, il était jusqu'ici nécessaire d'utiliser des récepteurs de rayonnement particuliers, sen- sibles à l'ultraviolet. A cet effet, on a en règle générale utilisé, comme cela est décrit par exemple dans les brevets US Nos. 3.544.792 ou 3. 553.665, des tubes à décharge qui s'allument et déclenchent un signal par l'excitation à l'aide d'un rayonnement ultraviolet dans la plage de 200- 290 nm. De tels tubes à décharge sensibles à l'ultraviolet ne sont pas fiables et constituent des composants sujets à des pannes et qui au demeurant ne supportent pas l'action de la chaleur. L'invention a pour objet de remédier aux inconvé- nients des détecteurs de flammes connus et, en particulier, de proposer un détecteur de flammes qui est approprié pour la détection de tous les genres de flammes, indépendamment du combustible utilisé, détecteur qui n'est pas sensible au rayonnement thermique du fond et qui est d'un fonctionne ment plus sûr, fiable et sensible même sous l'action d'un rayonnement thermique. Le détecteur de flammes selon l'invention, et qui- est du type rappelé en tête du présent mémoire, est essen- tiellement caractérisé par le fait qu'à l'entrée du guide d'onde de rayonnement est disposé un convertisseur de lon- gueur d'onde qui convertit le rayonnement ultraviolet des flammes en un rayonnement de plus grande longueur d'onde et le transmet à l'entrée du guide d'onde de rayonnement. L'invention et des développements avantageux de celle-ci seront explicités à l'aide de l'exemple de réali- sation d'un dispositif de détection de flammes représenté dans la figure 1. La figure 2 montre la répartition spectrale pour expliciter l'invention. Dans le dispositif représenté dans la figure 1, il est prévu une tête de détecteur 1, qui comporte un bottier 2, résistant à la température, et comportant une fenêtre d'entrée du rayonnement 3, située en face des flammes et qui laisse passer dans le bottier 2 le rayonnement issu des flammes. La fenêtre de passage du rayonnement 3 peut par exemple être réalisée sous la forme d'un filtre ultra- violet du type UG 11 (Schott) du commerce, filtre qui ne laisse pénétrer essentiellement que le rayonnement infra- rouge entre 200 et 300 nm. Dans le bottier 2 est disposé un convertisseur de longueur d'onde qui est réalisé et choisi de telle façon que lorsqu'il est excité avec un rayonnement ultraviolet de la plaque indiquée entre 200 et 300 nm, il émet un rayonne- ment de plus grande longueur d'onde, par exemple un rayonne- ment d'une longueur d'onde supérieure à 600 nm et pouvant aller jusqu'à l'infrarouge proche. Donc, dès qu'un rayon- nement ultraviolet issu des flammes vient de frapper la tête de détecteur 1, le convertisseur de longueur d'onde 4 émet un rayonnement qui se situe dans la plage de la lumière de grande longueur d'onde ou du proche-infrarouge. Comme convertisseur de longueur d'onde 4, on peut, en principe, utiliser une série de substances luminescen- tes, par exemple des phosphores connus à luminescence de recombinaison du type ZnS ou ZnSe. Mais, et comme cela est souvent nécessaire, s'il faut pouvoir établir une dis- tinction entre le rayonnement issu des flammes et les rayon- nements parasites, il faut évaluer le comportement au tremblotement dans une plage déterminée des fréquences de tremblotement, la durée de la postluminescence de tels phosphores à luminescence de recombinaison est souvent trop longue. Selon un développement avantageux de l'inven- tion, il s'est avéré particulièrement avantageux d'utili- ser des phosphores à courte durée de post-luminescence, par exemple des phosphores à ions activeurs. Il s'est avéré que des phosphores particuliers avec une addition de Mn2 peuvent transformer un rayonnement se situant aux environs de 250 nm en rayonnement situé au-delà de 600 nm, avec un rendement particulièrement bon. Les phos- phores qui se sont avérés être particulièrement appro- priés sont par exemple des phosphores dont la composition est (xZnO-yBeO) 2SiO2-zMn2, particulièrement des phosphores dont la composition est (0, 8ZnO.O,lBeO)2Sio2-0,09Mn D'autres substances luminescentes appropriées du même type sont O-Zn2Sio4-0,012Mn2+. D'autres phosphores, activés avec d'autres ions activeurs se sont également avérés avan- tageux, par exemple du MgO activé avec du Mn4 avec, au choix, une addition de As205, TiO4 ou GeO2, éventuellement avec une addition supplémentaire de MgF2, ou avec du A1203 activé avec du Cr203. Le rayonnement de grande longueur d'onde, qui est émis par ces substances luminescentes, est amené à l'entrée 249687? du guide d'onde de rayonnement 6, il est retransmis par ce guide d'onde de rayonnement et il est reçu à la sortie 7 du guide d'onde de rayonnement par un récepteur de rayonnement 8. Comme guide d'onde de rayonnement 6 on peut utiliser avec avantage des fibres optiques, courantes dans le commerce, par exemple des fibres connues à indice à paliers ou des fibres à gradient d'indice. Le dispositif à guide d'onde de rayonnement 6 peut être constitué, à la place d'une fibre optique, également par un faisceau de fibres. Le dispositif à guide d'onde de rayonnement 6 peut également comporter des points de dérivation 9 de formes de réalisation connues et courants dans le commerce et à partir desquels d'autres guides d'onde de lumière 6' sont dérivés pour mener à des têtes de détecteurs 1' pour surveiller plusieurs zones simultanément. Comme récepteur de rayonnement 8, on peut utiliser, en principe, un photorécepteur quelconque qui possède une sensibilité suffisante dans la plage spectrale de la lu- mière visible et de l'infrarouge proche. Ce sont avérés particulièrement avantageux par exemple des photodiodes au silicium des types SHS, SGD et YAG (EG&G Electro-Optics), qui possèdent un maximum de sensibilité à une longueur d'onde qui se situe entre 600 et 1000 nm. Au récepteur de rayonnement 8 sont reliés un cir- cuit amplificateur 9 et un circuit de signalisation 10. Ces circuits peuvent être réalisés, de manière connue, comme indiqué dans les documents antérieurs cités ci-des- sus et peuvent être adaptés au genre d'utilisation souhaité. Le mode de fonctionnement du dispositif conforme à l'invention peut être déduit de la répartition spectrale représentée dans la figure 2. A montre un spectre d'une flamme de mazout, spectre qui montre une continuité qui s'étend de l'ultraviolet de 200 nm à l'infrarouge. B mon- tre une flamme à l'hydrogène qui possède par contre un maximum dans l'ultraviolet à environ 250 nm et dont le rayonnement dans la région visible et dans l'infrarouge est plus faible que celui de la flamme au mazout. Il ressort de la figure 2 que l'évaluation d'une plage spec- trale dans les environs de 250 nm est particulièrement favorable pour détecter aussi bien des flammes de combus- tibles liquides que celles de gaz. Il est avantageux que le corps thermorayonnant, par exemple le fond du four ou de la chaudière d'une installation de combustion ou chaufferie ne comporte pas, comme cela est schématiquement représenté par la courbe C, un rayonnement inférieur à 300 nm et ne gêne pas ainsi la détection des flammes. Le rayonnement C issu du fond, est arrêté par le filtre 3 dont la transmissibilité est représentée par la courbe F et ne comprend essentiellement que la zone spectrale qui se situe entre 200 et 300 nm et arrête de ce fait presque complètement le rayonnement ambiant ou rayonnement du fond. Le convertisseur de longueur d'onde 4 convertit le rayonnement transmis par le filtre 3 en rayonnement de plus grande longueur d'onde, de préférence supérieur à 600 nm. La Sensibilité spectrale du récepteur de rayonne- ment 8 est, comme cela est représenté par la courbe S, choisie de telle manière qu'elle présente un maximum de 600 et 1000 nm et est de ce fait adaptée de façon maxima- le au convertisseur de longueur d'onde. De la manière décrite, on peut donc réaliser un dispositif pour la détection de flammes, qui permet de détecter sélectivement des flammes de différents genres, et qui, bien qu'étant de constitution simple avec mise en oeuvre de composants fiables, fonctionne de façon sûre avec une sensibilité maximale. Une influence par un rayonne- ment thermique est limitée à un minimum. Il convient de noter que dans la substance 2+ (xZnO.yBeO)2SiO2-zMn x, y et z représentent les parties en poids des composants. REVENDICATIONS 1. Détecteur de flammes, dans lequel, lors de la présence de flammes, un rayonnement électromagnétique est envoyé par l'intermédiaire d'au moins un dispositif à guide d'onde de rayonnement (6) à un récepteur d'onde de rayonnement (8) auquel est relié un circuit d'évaluation et de signalisation (10), caractérisé par le fait qu'à l'entrée du guide d'onde de rayonnement (5) est disposé un convertisseur de longueur d'onde (4) qui convertit le rayonnement ultraviolet des flammes en un rayonnement de plus grande longueur d'onde et le transmet à l'entrée du guide d'onde de rayonnement (5). 2. Détecteur de flammes selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en avant du convertisseur de longueur d'onde (4) est disposé un filtre ultraviolet (3). 3. Détecteur de flammes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le convertisseur de lon- gueur d'onde (4) comporte une substance luminescente sus- ceptible d'être excitée par un rayonnement ultraviolet. 4. Détecteur de flammes selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la substance luminescente est susceptible d'être excitée avec un rayonnement ultraviolet dans la zone spectrale de 250 nm pour l'émission d'un rayonnement de plus grande longueur d'onde. 5. Détecteur de flammes selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la substance luminescente émet, lors d'une excitation à l'ultraviolet, un rayonnement d'une longueur d'onde qui se situe dans la zone au-delà de 600 nm. 6. Détecteur de flammes selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé par le fait que la subs- tance luminescente comprend un phosphore à ions activeurs. 7. Détecteur de flammes selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on prévoit comme ions acti- veurs des ions de manganèse à double charge positive (Mn). 8. Détecteur de flammes selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la substance luminescente com- 2+ porte comme substance active du (xZnO.yBeO) 2Si0 2- zMn 249657? x, y et z représentant les parties ern poids des co=posants. 9. Détecteur de flammes selon la reverdication 8, caractérisé par le fait que la substance luminr.escente com- prend comme 10. caractérisé prend comme 11. caractérisé porte comme 12. caractérisé porte comme substance active du (0,8ZnO.$,lBeO>2-0,O9YM2 Détecteur de flammes selon la revendication 7, par le fait que la substance l=Tinescente com- 2+ substance active du e-Zn2Si04-G,012Mn2 Détecteur de flammes selon la revendication 7, par le fait que la substance luminescente ccm- substance active du 3Cd3(PO4) 2.CdCl2-O,OXn2+. Détecteur de flammes selon la revendication 7, par le fait que la substance luminescente com- substance active du MgO activé avec du Ln4+ avec addition d'une substance du groupe de As2o5, du Ti!4 ou du GeO2 et, au choix, avec une addition supplémentaire de MgF2. 13. Détecteur de flammes selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la substance luminescente ccm- porte, comme substance active, du A1203 active avec du Cr203.