Brevet FR2529679A3 — publié le 19840106

FR 2529679 A3 19840106 FR 8211532 A 19820630 Hygromètre spectroscopique à ultra-violet pour la détermination de l'humidité de gaz L'invention concerne un hygromètre spectroscopique à rayonnement ultra-violet (dénommé dans ce qui suit "hygromètre W") destiné à la détermination du degré d'humidite de gaz. l'hygromètre W convient particulièrement à la mesure de l'humidité absolue dans des gaz, qui sont alimentés ou transportés sous dépression, ainsi que dans des gaz de teneur en humidité moyenne jusqu'à très élevée. les hygromètres UV connus consistent en une source de rayonnement ultra-violet qui est disposes de telle manière que le rayonnement traverse un échantillon de gaz et ensuite un récepteur photoélectrique sensible au rayonnement. Comme longueur d'onde de mesure, on utilise ici exclusivement la raie "Lyman-alpha" de l'hydrogène atomique, de 121, 568 nanomètres. Pour l'utilisation de lthy- gromètre W, il est supposé que le gaz, dans lequel doit être déterminée l'humidité absolue, doit posséder, dans le domaine de la raie Byman-alpha, une absorption propre erronée, ou seulement très faible.Dans le cas de nombreux gaz, qui jouent un role important dans la technique, cette supposition préalable n'est cependant pas remplie, notamment lorsque ces gaz sont sous dépression. Cette série de gaz comprend par exemple le méthane avec un coefficient d'absorption KLy- = 400cm-1 et l'éthylène avec un coefficient d'absorption KLy- =700cm-1. Par comparaison, on peut mentionner l'azote gazeux dont le coefficient KLy- est inférieur à 10-4 cm-1. Toutes ces valeurs de coefficients d'absorbé tion se rapportent à l'état physiquement normal des gaz (273,15 K, 760 Torr - 105 325 Pa). Par conséquent, dans les deux gaz, méthane et éthylène, mentionnés plus liant, il n'est pas possible d'aux pliquer le procédé spectroscopique de mesure d'absorption avec les longueurs d'onde de la raie Byman-alpha. De mme, dans le cas de gaz à coefficient d'absorption de grandeur moyenne, par exemple le dioxyde de carbone, le coefficient d'absorption avec une surpression de 107 Pa, s'accroit dans le gaz sec tellement fortement que la capsule de surpression devrait présenter une course de mesure d'une longueur d'au plus 0,2 ma. la fabrication d'une capsule de mesure de surpression de telle dimension est liée à des difficultés considérables.Notrament, des difficultés apparaissent dans la réalisation de fenêtres résistant à la surpression en fluorure de lithium (LiF) ou fluorure de magnésium (MgP2) car le LiF et le MgF2 sont les seules matières solides qui sont transparentes pour les rayonnements lyman-alpba. Des fenêtres constituées en ces matières sont hygroscopiques et non résistances aux surpressions, de sorte que leur mise en oeuvre pour la mesure de l'humidité absolue dans des gaz qui sont en surpression, n'est réalisable qu'avec une dépense de moyens techniques considérables En conséquence, une mesure de l'humidité absolue des gaz sous surpression élevée n'est pas possible avec des hygromètres W. Dans la pratique, on rencontre, par exemple, des difficultés considérables, à pression normale, lors du séchage des masses céramiques lorsqu'il est question de mesurer en continu des humidités absolues importantes dans des gaz. C'est ainsi qu'interviennent des températures de point de rosée TD jusqu'à 3330K à des températures flj allant jusqu'à 6000I(. De telles charges thermiques aboutissent à la destruction de la solution connue. L'invention a pour but de rendre possible des mesures dthumidité, suivant le principe d'absorption de rayonnement UV dans des gaz industriels - dans lesquels le procédé spectroscopique par absorption avec la longueur d'onde de la raie lyman-alpha n'est pas applicable, - qui sont alimentés ou transportés sous pression. - ou qui possèdent une teneur en humidité moyenne jusqu'à très élevée. L'appareil de l'invention doit permettre la détection et le contrôle de changements de courte durée ou durables de l'humidité absolue. la nécessité de la mesure de l'humidité absolue dans des gaz dans les conditions de pression mentionnées, résulte du fait que, à partir d'une mesure dans lté- tat physique normal, on ne peut pas conclure obligatoirement relativement aux conditions de surpression. L'invention a pour but de réaliser un hygromètre W de haute sensibilité, destiné à la mesure précise, en continu, et presque sans inertie, de l'humidité absolue de gaz, avec lesquels le procédé de spectroseopie par absorption avec les longueurs d'onde de la raie lyman-alpha n'est pas applicable, ou dans des gaz se trouvant en surpression. La mesure de l'humidité absolue doit être possible même dans le cas de teneurs en humidité très élevées. L'invention a pour objet un hygromètre UV dans lequel est utilisé un émetteur de rayonnement atomique dans le domaine de l'ultra-violet de longueurs d'onde comprises entre 140 et 190 nm, caractérisé par une source de rayonnement constituée par une cellule de mesure avec fenêtres de passage de rayonnement, et un récepteur photoélectrique sélecteur de spectre sensible au domaine de longueurs onde ci-dessus. Un diviseur de rayonnement, disposé entre la source de rayonnement et la cellule de mesure, partage le faisceau sortant de l'émetteur en un faisceau de mesure et un faisceau de comparaison, ces deux faisceaux de rayonnement étant modulés au moyen d'un disque rotatif perforé.Tandis que le faisceau de mesure modulé parcourt, en direction du récepteur photoélectrique, la section de mesure qui se trouve dans la cellule de mesure, le faisceau de rayonnement de comparaison modulé parvient, extérieurement à la cellule de mesure, directement- au ré- cepteur. Dans le cas dtexigence de très grande précision dans la mesure de l'hygromètre UV, les parcours de rayonnement qui s1 étendent à l'extérieur de la cellule de mesure sont maintenus exempts d'absorption, les éléments de construction optiques étant, à cet effet, enfermés dans un carter hermétIque qui est rempli avec un gaz sec n'absorbant pas le rayonnement de mesure. le domaine spectral ultra-violet de longueurs d'onde comprises entre 140 et 190 n.m est spécialement favorable pour la mesure de l'humidité absolue dans des gaz pour lesquels le procédé de spectroscopie à absorption avec des longueurs d'onde de la raie Byman-alpha n'est pas utilisable, ou des gaz qui sont en dépression, ou des gaz qui possèdent une teneur en humidité moyenne jusqu'à très élevée. Il en est ainsi parcs que le rayonnement est absorbé d'une manière favorable à la mesure et que les mesures des cellules de mesure sous surpression nécessaires peuvent être réalisées de manière techniquement simple. On a constaté comme particulièrement favorables des parcours de mesure de 1 à 30 centimètres de longueur. On tient compte pour cela du fait que, dans un gaz comprimé, il peut exister, par unité de volume, davantage de vapeur d'eau, sans condensation, que dans le gaz à la même température à l'état non comprimés Avec le choix du domaine spectral W mentionné plus haut, pour la mesure d'humidité, il est possible du tiliser du verre de quartz ou du corindon, ou autre matériau approprie, comme fenêtres pour la cellule de mesure. le verre de quartz et le corindon conviennent particulièrement bien pour cette utilisation, car ils possèdent, dans le domaine spectral indiqué, un pouvoir de transmission élevé, ils ne sont pas hygroscopiques et peuvent être préparés d'une manière relativement simple, dans la grandeur et l'é- paisseur nécessaires pour la cellule de mesure en -surpression. Par un prolongement supplémentaire du parcours de mesure au-delà du domaine de longueurs d'onde mentionné, il est possible d'accraître la sensibilité de l'hygromètre UV, de telle sorte que peuvent entre exétuées des mesures même sur des traces de vapeur d'eau. Comme source de rayonnement pour l'hygromètre W 11 invention propose une lampe de décharge en gaz à basse pression à mercure avec globe en verre de quartz, Avec cette source, sont produites, dans le domaine spectral ultra-violet, seulement les raies de forte résonnance avec des longueurs d'onde comprises entre 184, 957 et 253, 652 n.m. Avec la vapeur d'eau, dans le spectre à raie du mercure, le rayonnement de longueur d'onde 184,957 est absorbé, tandis que le rayonnement de longueur d'onde 253,652 et des raies d'autres longueurs d'onde reste non influencé lors de la traversée du parcours de mesure. L'u- tilisation d'un globe en verre de quartz est nécessaire afin que le rayonnement UV puisse quitter la source. Comme récepteur photo-électrique, on utilise une photo-cathode en iodure de cuivre ou iodure de césium avec fenetre en quartz. A partir du spectre à raie du mercure, seuls les photons ayant une longueur d'onde de 184,957 n.m sont efficaces, car les iodures de cuivre ou de césium n'émettent aucun photo-électron lorsqu'ils sont irradiés avec des longueurs d'onde supérieures à 200 n.m. le domaine de mesure W proposé par l'invention permet l'utilisation d'un diviseur de rayonnement et d'un disque perforé rotatif pourvu de deux couronnes de perforations différentes. Ce disque intercepte le faisceau de rayonnement de mesure et le faisceau de rayonnement de comparaison avec une fréquence différente, de telle sorte que, à partir du signal du récepteur photo-électrique, il est possible de former, avec des moyens électroniques-connus, le quotient des intensités des deux faisceaux de rayonnement. le diviseur de rayonnement et le disque perforé rotatif sont les conditions nécessaires à une grande stabilité temporelle des mesures, ainsi qu'à l'obtention d'une grande précision. les variations d'intensité de la source de rayonnement et les pertes de sensibilité du récepteur photo-électrique par vieillissement, qui ne peuvent pas être évitées dans la pratique, n1 ont aucune influence sur la mesure de l'humidité. De même, la formation du quotient constituant la solution conforme à l'invention, n'est pas influencée par des variations de pouvoir de transmission des éléments de construction optiques utilisés. Comme gaz de remplissage pour le carter hermétiquement fermé, on peut choisir par exemple l'azote, l'hélium ou un autre gaz noble. les variations dthumidité de l'air d'environnement dlhydrocarbure W n'ont ainsi aucune influence sur les résultats de mesure. En outre, un tel remplissage de gaz s'oppose à la formation d'ozone qui fausserait les mesures en raison de ses propres propriétés d'absorption. L'hygromètre W se distingue par des temps de réglage de grandeur de mesure courts, qui sont déterminés chaque fois par le passage du gaz à travers la cellule de mesure. l'invention est expliquée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation avec référence au dessin an- nexé. la lampe de décharge à gaz à basse pression à mercure 1 est alimentée par un appareil de fourniture de courant 2 et elle produit un spectre de raies atomiques, notamment avec les raies de longueur d'onde de 184y957 nem et 253,652 n.m dans le domaine de ltultra-violet. le faisceau de rayonne-lent sortant de la source 1 traverse une combinaison de filtre 3 et est partagé, par un prisme à miroir 4, en un faisceau de rayonnement de mesure 5 et un faisceau de rayonnement de comparaison 6e le faisceau de mesure 5 est renvoyé par le miroir 7 et il est modulé, par un disque perforé rotatif 8 coztlportant deux couronnes de perforations différentes.Ce faisceau 5 parvient, à-- travers une fenetre d'entrée de rayonnement 9 en verre de quartz, dans l'intérieur d'une cellule de mesure à surpression 10, dans laquelle se trouve le gaz de mesure dont l'humidité absolue doit être déterminée0 Dans le spectre de raies atomiques du mercure, seul le rayonnement de longueur d'onde 184,957 n.n est absorbé par la vapeur d'eau, tandis que le rayonnement de longueur d'onde 253,652-n.m, ainsi que d'autres raies de longueur tonde différente, n'ont pas d'influence sur la mesure. le faisceau de rayonnement de mesure 5 traver- se la fenêtre de sorte en verre de quartz 11, et est renvoyé, par un autre miroir 12, avant de tomber sur un récepteur photo-électrique 13. Lorsque ce récepteur photo-électrique 13 est constitué par une photo-cellule avec globe de verre au quartz et photo-cathode en iodure de cuivre ou de césium, seuls des photons de longueur d'onde 184,957 n.m peuvent être efficaces dans ce récepteur 13 car les iodures de césium et de cuivre n'émettent aucun électron sous l'effet d'une irradiation de longueur donde supérieure à 200 n.m.Les courants de photons sont envoyés, à travers un amplificateur photométrique 14 vers un dispositif indicateur 15. le faisceau de rayonnement de comparaison 6 a un parcours analogue, mais cependant, sans passage à travers la cellule de mesure 10, étant renvoyé par le-s miroirs 16 et 17 vers le meme récepteur photoélectrique 13. le disque perforé rotatif 8 pourvu de deux couronnes de perforations différentes intercepte le faisceau de rayonnement de mesure 5 et le faisceau de rayonnement de comparaison 6 avec une fréquence différente, de telle sorte que, à partir du signal du récepteur photoélectrique 13, il est possible, avec des moyens électroniques connus, de former le quotient des deux courants lumineuf. L'ensemble est enfermé dans un carter hermétiquement fermé 18, qui est rempli d'azote sec ou d'hélium, afin de maintenir le parcours de rayonnement exempt d'absorption à exception du parcours à l'intérieur de la cellule de mesure 10. Cette-cellule de mesure 10 possède un raccord d'entrée de gaz 19 et un raccord de sortie de gaz 20. En avant du raccord d'entrée de gaz 19 de la cellule de mesure 10 se trouve un barrage de vapeur d 'huile 21 et un dispositif 22, pour éliminer, avec des moyens techniques connus, des fractions de gaz étrangers qui pourraient également absorber le rayonnement de mesure. L'ensemble de mesure décrit, à deux rayonne ments avec disque perforé rotatif, possède une très grande stabilité dans le temps et il permet une haute précision de mesure, car les variations d'intensité de la source de rayonnement 1 et les pertes de sensibilité du récepteur photo-électrique 13, par vieillissement, n'ont aucune influence sur la mesure de l'humidité absolue. Grâce à la formation du quotient, des variations dans le comportement de transmission des éléments de construction optiques utilisés, n'ont pas d'effet perturbateur sur la mesure. Bans le cas, mentionné à titre d'exemple, d'utilisation d'un récepteur photo-électrique sélecteur 13, on peut renoncer à l'emploi de la combinaison de filtre 7, sans que la-récision de la mesure de l'humidité absolue soit diminuée. Lorsque le parcours de rayonnement est intercepté par le disque perforé rotatif 8, il se produit, sur le récepteur photo-électrique, un "courant obscur" qui constitue la base pour la détermination des valeurs de mesure du faisceau de mesure et du faisceau de comparaison. R E V E iN D I C A T I 0 iT 1.- hygromètre spectroscopique à ultra-violet (hygromètre W ) pour la détermination de l'humidité d'un gaz, avec lequel sont détectées les variations de courte durée ou permanentes de l'humidité absolue, caractérisé en ce que l'hygromètre UV comprend un émetteur de rayonnement à raies atomiques pour le domaine de l'ultra-violet dans des longueurs d'onde comprises entre 140 et 190 n.m. à l'intérieur d'une bande d'absorption de vapeur d 'eau, à la suite duquel sont montés une cellule de mesure avec fe neutres transparentes au rayonnement et un récepteur photoélectrique, un sélecteur de spectre, sensible dans le domaine spectral mentionné, en liaison avec un diviseur de rayonnement et un disque perforé rotatif, tous ces éléments de construction étant enfermés dans un carter hermétique qui contient un gaz sec non absorbant du rayonnement de mesure. 2.- Hygromètre W, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fenêtres transparentes au rayonnement, de la cellule de mesure appropriée également aux mesures sous surpression, sont constituées en verre de quartz ou corindon. 3.- Hygromètre W suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est pourvu, comme source de rayon- nement d'une lampe à décharge à gaz à basse pression à mercure avec globe en verre de quartz qui rayonne la longueur d'onde de mesure # = 184,957 n.m. 4.- Hygromètre W suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, le récepteur- photo-électrique est constitué par une photo-cathode en iodure de césium ou de cuivre avec fenêtre en quartz 5. - Hygromètre U?j; suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, dans une installation de mesure à deux rayonnements, le disque circulaire rotatif est pourvu de deux couronnes de perforations différentes qui réalise une modulation du faisceau de rayonnement de mesure et du faisceau de rayonnement de comparaison avec une fréquence différente. 6.- Hygromètre W suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz contenu dans le carter hermétiquement fermé est de l'azote sec ou un gaz noble tel que lthélium.