Brevet FR2538548A1 — publié le 19840629

INSTALLATION POUR LA MESURE SELECTIVE D'UN COMPOSANT, ABSORBANT UN RAYONNEMENT INFRA-ROUGE, D t M-ELANGE L'invention concerne une installa- tion pour la mesure effective d'un composant, absorbant un rayonnement infra-rouge, d'un mélange, installation dans laquelle le mélange est périodiquement traversé par des impulsions de rayonnement en provenance d'une source de rayonnement, installation caractérisée en ce qu'un cylindre fermé de tous côtés, qui comporte un piston susceptible de se déplacer librement dans la direction de l'axe du cylindre, est rempli avec un gaz ou un mélange de gaz, qui est périodiquement comprimé par le piston déplacé de façon oscillante et qui est chauffé adiabatiquement pendant la phase de compression et excité pour permettre l'émission d'un spectre de rotation-vibration, le cylindre comportant au moins une fenêtre pour la sortie du rayonnement. Des installations de ce type sont utilisées pour des appareils d'analyse de gaz de haute sensibilité, dans le domaine de la spectros- copie à haute résolution, appareils qui par exemple, surveillent en continu la composition des gaz d'échap- pement ou bien l'intervention de composantes gazeuses déterminées dans ces gaz d'échappement, et qui prennent notamment une importance croissante dans la technique des processus et pour la mise en oeuvre de dispositions concernant la protection de l'envi- ronnement. Les sources thermiques de lumiÄre disponibles jusqu'à ce jour, dans la zone infra-rouge du spectre, sont affectées d'une série d'inconvénients qui résident notamment en ce que l'émission spectrale s'effectué dans une zone de larges bandes Cet inconvénient a d'une part, pour conséquence que pour de nombreux systèmes optiques, un rapport trop bas signal/bruit, est obtenu et que, d'autre part, des longueurs d'ondes lumineuses non souhaitables sont présentes dans le spectre d'émission et abaissent la sélectivité. On connait un appareil optique et électronique d'analyse de gaz (BMFT-Forschungs- bericht T 81-209), dans lequel la concentration d'un gaz actif aux infrarouges est déterminée à l'aide d'un laser à diode exploité par impulsions. Ces systèmes de laser suscepti- bles d'etre mis en oeuvre dans de nombreux cas d'application, présentent toutefois des inconvénients qui résident notamment en ce que le système a tendance à etre instable en ce qui concerne la fréquence et l'amplitude, que des lacunes se produisent dans le spectre d'émission, et que des investissements importants doivent être mis en oeuvre, En outre, dans la zone de l'infra-rouge à grande longueur d'onde, des-ensembles de refroidissement coûteux sont nécessaires pour l'exploitation du laser à diode. L'invention a pour but de développer une installation qui engendre des impul- sions périodiques de rayonnement d'une intensité de rayonnement élevée, et qui de préférence, émet pour le gaz déterminé, un spectre linéaire typique de rotation-vibration. Les avantages obtenus grâce à l'installation proposée, résident notamment en ce que, avec des moyens simples et une faible dépense d'énergie, des impulsions de rayonnement de haute puissance de rayonnement, et de sélectivité spectrale, sont obtenues, sans utiliser des dispositifs vibreurs sujets à des pannes, pour de courtes interruptions du rayonnement, et dont la fréquence et l'amplitude sont susceptibles d'être réglées avec une précision élevée sur une valeur prédéterminée et d'être maintenues cons- tantes avec une faible dépense. Un exemple de réalisation d'une installation comportant les caractéristiques des revendications 1 à 8 est représenté sur les dessins ci-joints, et -va être décrit plus en détail ci- dessous: la figure 1 montre une instal- lation pour mesurer au moins un composant d'un mélange de gaz à l'aide d'une source de rayonnement sélec- tive; la figure 2 représente de façon simplifiée, une source de rayonnement sélec- tive sans installation de refroidissement. La constitution de principe d'un analyseur à infra-rouge utilisant la source de rayonnement proposée est représentée sur la figuré 1 Le rayonnement émis périodiquement - sous la forme d'impulsions de rayonnement par une source sélective de rayonnement 1, est amené par l'intermédiaire d'un Iremier système de lentilles 2, d'un filtre optique à larges bandes 3 qui occulte la majeure partie des fréquences de rayon- nement non utiles pour les mesures d'absorption, d'une cuvette de mesure 4 qui est parcourue par le gaz à mesurer dont la pression est mesurée par un dispositif 5 de mesure de la pression, et 3 d'un second système de lentilles b, à un détecteur thermique ou bien optique et électronique 7, à la suite duquel est branché un-dispositif électronique de traitement de valeur de mesure pour former le rapport rayonnement de mesure sur rayonnement de référence La source sélectrive de rayonnement 1 est alimentée en tension alternative à partir d'un appareil de commande 9, tension dont l'amplitude et/ou la fréquence sont susceptibles d'être réglées sur des valeurs prédéterminées En paral- lèle sur la cuvette de mesure 4, est disposée une cuvette de référence 4 a Le rayonnement traversant la cuvette de référence est amené à un détecteur- de référence 7 a. La formation d'un signal de référence est également possible d'une façonconnue selon le principe du faisceau unique et de la double fréquence, lorsque le cylindre 10 est rempli d'un mélange de gaz et qu'une partie du spectre Aémis n'est pas absorbée par le mélange à analyser. Lors de l'utilisation d'une source de rayonnement avec une rayonnement constant dans le temps, au lieu de la source sélective de rayonnement 1, il est nécessaire de disposer sur le trajet des rayons entre le premier système de lentilles 2 et le filtre à larges bandes 3, une roue de filtrage faisant fonction de vibreur qui est entraînée par un moteur pas à pas et qui est équipée de filtres à gaz et/ou de filtres d'inter- férence à structures fixes, On peut complètement renoncer à cette installation sujette à des pannes lorsqu'on utilise la source sélective de rayonnement La figure 2 représentede façon simplifiée, une source sélective de rayonnement 1 de ce type Dans un cylindre 10 fermé de tous côtés et constitué d'un matériau non magnétique, est dis- posé un piston Il constitué d'un matériau ferro-, magnétique et susceptible de se déplacer librement dans la direction de l'axe 12 du cylindre 10 Chacune des deux extrémités du cylindre 10 est entourée par une bobine magnétique 13, le champ magnétique de ces bobines agissant sur le piston 11 et provoquant le déplacement de celui-ci selon la direction de leaxe 12 du cylindre 10 Les bobines magnétiques 13 sont raccordées à la sortie de l'appareil de commande 9 qui alimente ces bobines magnétiques 13 avec une tension alternative dont le niveau et la fréquence sont réglables et qui présente sur les bobines magnétiques une rotation de phases de 1800 La fréquence de la tension alternative est alors de préférence réglée sur la fréquence de résonnance du système susceptible d'osciller constitué par le piston 11 et le gaz remplissant le cylindre 10. Le cylindre 10 est rempli avec un gaz 14 qui est périodiquement comprimé et expansé par le piston 11 déplacé de façon oscillante dans le champ magnétique alternatif des bobines magnétiques 13, et pendant la phase de compression, ce gaz est échauffé adiabatiquement et excité pour émettre un spectre de vibration rotation. Au moins une des surfaces fronta- les du cylindre 10 constitue une fenêtre optique 15 pour la sortie de la lumière, et est constituée d'un matériau transparent au rayonnement Il est également possible de disposer sur chacune des deux surfaces d'extrémités du cylindre 10, une fenêtre optique et de brancher sur chacune des deux fenêtres optiques 10 par exemple une installation de mesure de la structure représentée sur la figure 1. Un guidage à faible frottement du piston 11 est notamment obtenu en ce que, sur cha- cune des deux faces frontales libres de ce piston 11, vient en prise-un ressort hélicoïdal 16, empê- chant le coincement du piston 11, tandis que pour le cylindre 10, un matériau de faible coefficient de frottement, tel que par exemple du téflon ou du graphite est utilisé. Dans certains cas d'application, il peut être également avantageux que la fenêtre optique 15 du cylindre 10 constitue un filtre optique occultant une zone prédéterminée du spectre. L'efficacité de la source de rayonnement 1 peut être augmentée de façon simple en mélangeant au gaz émetteur 14 un gaz d'appoint non émetteur 17, dont le coefficient adiabatique provoque pour un rapport de compression prédéterminé, une élévation de température aussi importante que possible. Comme gaz d'appoint, on peut par exemple utiliser de l'argon,du krypton, ou de l'hélium. Il peut être également avanta- geux dans certains cas d'application, que la gaz 14 émettant le rayonnement comporte au moins deux composants, et que par exemple un mélange de HF et de H 20 ou bien de N et de NO 2, ou bien de CO et de CO 2 soit utilisé. Ltintensité du rayonnement émis peut être augmentée d'une façon simple en ren- dant la surface interne du cylindre 10 réfléchissante pour le rayonnement Ceci-est par exemple réalisable dans le cas dtun cylindre en acier spécial non magnétique par un polissage spéculaire poussé. REVENDICATIONS 1 Installation pour la mesure sélective d'un composant, absorbant un rayonnement infrarouge, d'un mélange, installation dans laquelle le mélange est périodiquement traversé par des im- pulsions de rayonnement en provenance d'une source de rayonnement, installation caractérisée en ce qu'un cylindre( 10) fermé de tous côtés, qui comporte un piston ( 11) susceptible de se déplacer librement dans la direction de l'axe ( 12) du cylindre ( 10), est rempli avec un gaz ( 14) ou un mélange de gaz, qui est périodiquement comprimé par le piston ( 11) déplacé de façon oscillante et qui est chauffé adiabatiquement pendant la phase de compression et excité pour permettre l'émission d'un spectre de rotation- vibration, le cylindre ( 10) comportant au moins une fenêtre ( 15) pour la sortie du rayonnement. 2 Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston ( 11) est déplacé par un dispositif permettant d'ob- tenir des efforts électromagnétiques agissant sur le piston ( 11). 3 Installation selon reven- dication 1, caractérisée en ce que: a) le cylindre ( 10) fermé de tous côtés est constitué d'un matériau non magné- tique, tandis que le piston ( 11) est constitué d'un matériau ferromagnétique; b) l'une au moins des deux extrémités du cylindre ( 10) est entourée par une bobine magnétique ( 13) dont le champ magnétique alternatif agit sur le piston ( 11) et provoque son déplacement dans la direction de l'axe ( 12) du cy- lindre ( 10); c) chacune des bobines magnétiques ( 13) est raccordée à la sortie d'un appareil de commande ( 9) qui alimente les bobines magnétiques ( 13) avec une tension alternative dont le niveau et la fréquence sont susceptibles d'être réglées. 4 Installation selon revendica- tion 1, caractérisée en ce que sur chacune des deux faces frontales libres du piston ( 11) agit un ressort hélico:dal ( 16) évitant le coincement du piston ( 11). Installation selon revendi- cation 1, caractérisée en ce que la fenêtre optique ( 15) du cylindre ( 10) revêt la forme d'un filtre optique occultant une zone spectrale prédéterminée. 6 Installation selon revendica- provoquant une élévation de température aussi im- portante que possible pour un rapport de compression prédéterminé. 7 Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que comme gaz d'appoint on peut par exemple utiliser de l'argon, du krypton ou de l'hélium. 8 Installation selon revendi- cation 1, caractérisée en ce que le gaz ( 14) émet- tant le rayonnement comporte au moins deux composants. 9 Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le gaz ( 14) émettant le rayonnement comporte au moins deux com- posants et que par exemple un mélange HF et de H 20 ou bien de N(azote) et N 02 (oxyde d'azote), ou bien de CO(oxyde de carbone) et C 02 (monoxyde de carbone) soit utilisé. Installation selon revendi- cation 1, caractérisée en ce que la surface interne du cylindre ( 10) est prévue pour réfléchir le - rayonnement.