Brevet FR2518750A1 — publié le 19830624

La présente invention concerne une installation pour la détection de fuites de gaz, notamment de gaz de pétrole liquéfiés. L'invention trouve une application particulière dans l'emplissage des bouteilles de gaz liquéfié, mais elle n'est aucunement limitée a ce domaine, et de nombreuses autres applications peuvent être envisagées. I1 est en effet nécessaire, une fois le remplissage effectué, de vérifier soigneusement l'étanchéité et la fermeture correcte des robinets dont sont pourvues ces bouteilles. Cette vérification est généralement opérée par mise en place d'une cloche enfermant le robinet de la bouteille et prélèvement d'un échantillon de l'atmosphère environnant le robinet. Ce prélèvement peut être opéré, par exemple, par circulation deux gaz de balayage, tel que de l'air propre, dans la cloche. L'échantillon est alors analysé, et la concentration en gaz comparée a un seuil donné. Le depassement de ce seuil entraînera le rebut ultérieur de la bouteille en cause. L'invention se rapporte plus particulièrement au système d'analyse de l'échantillon, pour lequel une sensibilité élevée doit être recherchée. Jusqu'a présent, les analyseurs de gaz par combustion catalytique ou par spectrométrie infrarouge ont donné tout a fait satisfaction. L'accroissement des cadences dtemplissage laisse cependant de moins en moins de temps pour procéder au contrôle ; s'agissant de fuites la quantité de gaz libérée est proportionnelle à la durée d'application de la cloche sur le robinet. Une réduction de cette durée oblige donc à disposer d'un détecteur de sensibilité accrue. Cette sensibilité accrue deviendrait encore plus nécessaire en cas d'instauration de nouvelles normes de sécurité, plus sévères. cette fin, l'installation selon l'invention comporte une cellule de mesure de haute sensibilité, utilisant l'effet photoacoustîque : cet effet résulte de l'absorption, par le gaz à détecter, d'un rayonnement monochromatique dont la longueur d'onde correspond précisément à une bande d'absorption du gaz. Cette absorption engendre une augmentation immédiate de pression du gaz et, si l'on module le faisceau en intensité, on pourra mesurer - par exemple au moyen d'un capteur microphonique - une pression variable, modulée à la même fréquence ; il sera ensuite aisé de mesurer l'amplitude de cette modulation et d'obtenir, après amplification et filtrage sélectif, un signal électrique représentatif de la concentration du gaz étudié. Selon l'invention, l'enceinte où est confiné le gaz pour y être exposé au faisceau lumineux comporte une paroi à surface réfléchissante permettant des réflexions multiples du faisceau à l'intérieur de l'enceinte, ainsi qu'une fenêtre d'entrée dû faisceau, transparente ou semi-refléchissante, ménagée dans cette paroi. Avantageusement, l'enceinte comporte deux faces planes, parallèles, et de grandes dimensions et de faible écartement, reliées par une paroi latérale, optiquement active, incluant la fenêtre d'entrée du faisceau, cette fenêtre étant traversée par le faisceau suivant une direction normale à la paroi latérale, et parallèle aux faces planes. Cette paroi latérale comporte deux premières faces planes et parallèles, et deux secondes faces planes et non parallèles, la fenêtre d'entrée étant située sur l'une des secondes faces. Cette disposition permet une illumination homogène du volume de l'enceinte par"piégeage" du rayon lumi neux. Celui-ci, après traversee de la fenêtre d'entrée, estsoumis à des réflexions multiples à l'intérieur de 11 enceinte ; les secondes faces, non parallèles, empêchent que le rayon ne ressorte par la fenêtre d'entrée. Alors que les cellules classiques à traversée unique du volume du gaz par le faisceau exigeaient des sources lumineuses de forte puissance pour obtenir une sensibilité acceptable, la cellulede mesure selon l'invention, grâce auxpassages multiples du faisceau qu'elle permet, assure une sensibilité très élevée sans.augmen- tation prohibitive de la puissance de la source lumineuse. En outre, ces passages multiples sont obtenus avec une seule traversée de la paroi, à l'endroit de la fenêtre d'entrée du faisceau, où cette paroi est transparente (ou même semi-réfléchissante). On-évite ainsi les pertes d'énergie lumineuse qui surviendraient à chaque traversée de paroi, au cas où les réflexions multiples seraient obtenues par des miroirs disposés à l'extérieur du volume délimité par une enceinte transparente. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un mode de réalisation, faiteen référence aux figures annexées, où la figure 1 est une vue schématique de l'ensemble de l'installation, la figure 2 est une vue en plan, à échelle plus réduite, de l'enceinte de la figure 1. Sur la figure 1, on peut voir l'enceinte 10 recevant l'échantillon de gaz à analyser, et éclairée par une source lumineuse 20 au travers d'un modulateur d'intensité 30. Un capteur de pression 40 analyse les variations de pression du gaz à l'intérieur de l'enceinte. La source lumineuse 20 peut être une source à large spectre telle qu'une lampe à incandescence ou à décharge, pourvue d'un filtre de bande sélectif, par exemple de type interférentiel. La source 20 peut être également une source monochromatique telle qu'un laser, soit un laser à gaz tel qu'un laser hélium-néon émettant à 3,39 pra de longueur d'onde ou un laser à C02 dont on utilise une des longueurs d'onde d'émission dans la bande 9 à lun, soit un laser solide comportant une structure multicouche semiconductrice. L'utilisation d'un laser hélium-néon est parti culièrement avantageuse, car la longueur d'onde d'émission de celui-ci (3,39 pm) est comprise dans la bande d'absorption des corps constituant les gaz de pétrole liquéfiés : butane, propane, ... et de la plupart des hydrocarbures-gazeux, notamment des alcanes : le fait que les gaz ayant servi à l'emplissage soiént des mélanges de composition variable de différents hydrocarbures n'est pas en soi un inconvénient, la bande d'absorption étant une caractéristique commune-à tous les corps constituant le mélange. La modulation du faisceau lumineux peut être obtenue par tout moyen connu : soit un appareil mécanooptique d'occultation ou déviation (roue dentée perforée; miroir- oscillant ou tournant, ...), soit un dispositif électro-optique (cellule de Kerr, obturateur à cristaux liquides, ...), soit même par l'emploi d'un laser directement modulable en intensité. Le capteur de pression 40 peut être de tout type connu. Ce peut être notamment un capteur microphonique, une capacité ou inductance variable, ou tout autre dispositif approprié permettant de transformer les mouvements d'un élément sensible 41 mobile en réponse aux variations de pression dans l'enceinte consécutivesà l'absorption du faisceau modulé, en un signal électrique fonction de ces variations de pression. Le signal issu du capteur de pression 40, après amplification par un circuit 42,est traité par un filtre à bande étroite 43 accordé sur la fréquence de modulation du dispositif 30; on élimine de ce fait tout signal parasite pouvant interférer sur la mesure. Le signal ainsi obtenu est transmis à un analyseur 44, qui compare le signal électrique représentatif de la concentration du mélange à un seuil prédéterminé, de manière à estimer le taux de fuite de la bouteille en question. Les fonctions de traitement et analyse du signal, d'exploitation des résultats de l'analyse, et de pilotage de la modulation du faisceau peuvent être avantageusement coordonnées par un dispositif à microprocesseur (non représenté). Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, l'enceinte 10 comporte une face supérieure 11 et une face inférieure 12, toutes deux planes, de grandes dimensions et de faible écartement Ces faces supérieure et inférieure sont reliées par une paroi latérale, par exemple composée de quatre faces 13, 14, 15, 16 traitées de manière à pouvoir réfléchir les rayons lumineux qui les frappent de l'intérieur. Le rayon lumineux issu de la source 20 et du modulateur 30 est introduit dans la chambre par une fenêtre d'entrée 17 ménagée sur l'une des parois latérales, par exemple la paroi 14.L'incidence du rayon est telle que celui-ci entre dans l'enceinte parallèlement aux faces supérieures 11 et 12, et -perpendiculairement à la face 14 : avec une direction parallèle aux faces-ll et 12, les réflexions multiples vont se produire seulement sur les parois latérales - qui seront les parois optiquement actives - et non sur les parois supérieure et inférieure. Les parois latérales sont disposées de telle sorte que la paroi contenant la fenêtre d'entrée (paroi 14) et la paroi opposée (paroi 16) ne soient pas parallèles, pour produire les réflexions multiples (sinon le rayon lumineux serait renvoyé vers la fenêtre d'entrée après -réflexion unique). En d'autres termes, si les parois 13 et 15 sont parallèles, l'enceinte 10 aura la forme d'un prisme à base trapézoidale et de faible épaisseur, l'entrée du faisceau se faisant par le côté oblique du trapèze (ou le côté opposé).La géortiétrie d'une telle enceinte permet, même avec un très faible volume de gaz(d'autant plus faible que l'espacement entre les parois 11 et 12 est réduit) de provoquer quand même une multiplicité de réflexions du faisceau, et ainsi d'assurer le balayage homogène de tout le volume défini par l'enceinte. Avantageusement, les canalisations d'alimentation et de vidange de la chambre 50 et 51 communiquent avec .l'enceinte par des raccords 52 et 53 disposés sur l'une des deux faces 11 ou 12 ; en ménageant ces raccordements sur une de ces faces, on élimine toute perturbation qui pourrait résulter de leur présence. La même remarque vaut pour l'élément sensible 41 du capteur de pression 40, qui ne crée ainsi aucune perturbation, tout en conservant la possibilité de le disposer à l'emplacement le plus approprié. Bien entendu, ni le mode de réalisation décrit, ni l'utilisation envisagée n'ont de caractère limitatif, et de nombreuses variantes ou applications peuvent être envisagées sans sortir du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Installation pour la détection de fuites de gaz, notamment de gaz de pétrole liquéfiés, pour mesurer la concentration d'un échantillon de gaz par absorption infrarouge, du type comportant : une enceinte (10) étanche, des moyens pour prélever un échantillon de l'atmosphère à analyser, et pour amener cet échantillon dans l'en ceinte étanche, caractérisée en ce que l'enceinte comporte une paroi à surface réfléchissante, apte à produire des réflexions lumineuses multiples, une fenêtre d'entrée transparente ou semi-réfléchissante, ménagée dans cette paroi , pour diriger vers l'en ceinte un faisceau sensiblement monochromatiqué de rayonnement infrarouge modulé à fréquence acoustique, et dont la longueur d'onde correspond à une bande d'absorption du gaz à détecter, un élément sensible. (41), mobile en réponse aux varia tions de pression dans l'enceinte, et placé dans celle ci, des moyens (40, 42, 43, 44) pour transformer les mouve ments de l'élément mobile--en un signal électrique repré sentatif de la concentration du mélange. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte comporte deux faces planes- (11, 12), parallèles, de grandes dimensions et de faible écartement, reliées par une paroi latérale optiquement active incluant la fenêtre d'entrée du faisceau, cette fenêtre étant traversée par le faisceau suivant une direction normale à la paroi latérale et parallele aux faces planes. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la paroi laterale comporte deux premières faces (13, 15) planes et parallèles, et deux secondes faces (14, 16) planes et non parallèles, et en ce que la fenêtre d'entrée est située sur l'une (14) des secondes- faces. 4. Installation selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les moyens pour prélever l'échantillon et l'amener dans l'enceinte comportent des raccordements d'entrée (52) et de sortie (53) de gaz, débouchant dans l'enceinte sur l'une (11) des deux faces de grandes dimensions. 5. Installation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'élément sensible [41) est disposé sur l'une (12) des deux faces de grandes dimensions. 6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la longueur d'onde du rayonnement monochromatique est voisine de 3,39 P et en ce que l'installation est utilisée pour mesurer les concentrations d'hydrocarbures gazeux, notamment d'alcanes. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le rayonnement monochromatique est engendré par un laser hélium-néon.