Brevet FR2557697A1 — publié le 19850705

DISPOSITIF D'ANALYSEUR INFRAROUGE L'invention concerne les analyseurs infrarouges utilisés pour mesurer la concentration d'un élément spécifique dans un échantillon hétéro- gène de gaz ou de liquide. Il est bien connu d'utiliser des analyseurs infrarouges pour mesurer la concentration d'un élément spécifique dans un échantillon hétérogène de gaz ou de liquide en comparant les propriétés d'absorption infrarouge de l'échantillon aux propriétés d'absorption infrarouge connues de l'élément auquel on s'intéresse. Il est couramment utilisé une paire de chemins de rayonnement dont l'un passe à travers un échantillon de référence et dont l'autre passe à travers l'échantillon à mesurer. Un dispositif de découpage peut être utilisé pour moduler la source de rayonnement entre les deux chemins de rayonnement. Le Brevet U.S.A. NO 3 897 153 déposé par Keenan et Cie est un exemple d'un type d'analyseur infrarouge présentant les caractéristiques générales indiquées ci-dessus. Dans le Brevet Keenan, une paire de sources infrarouges produit une paire de faisceaux infrarouges dont l'un traverse une cellule de référence et dont l'autre traverse une cellule contenant l'échantillon à analyser. Un obturateur tournant est prévu entre les sources infrarouges et la paire de cellules pour couvrir et découvrir les ouvertures de manière intermittente, les deux ouvertures étant couvertes simultanément. Ce type d'analyseur infrarouge présente cependant une sensibilité limitée, du fait qu'il utilise deux sources de rayonnement indépendantes, qui ont tendance à dériver indépendamment, même si elles sont branchées en série avec une source de courant commune. Le Brevet U.S.A. N 4 004 146 déposé par Blunck décrit un analyseur infrarouge utilisant une source infrarouge unique, une cellule de réfé- rence, une cellule d'échantillon à analyser, un élément d'obturateur tournant, partiellement réflé- chissant, placé entre la source infrarouge et les cellules, un réflecteur semi-circulaire placé derrière la source infrarouge pour réfléchir le rayonnement de la source vers les cellules, et un détecteur de rayonnement destiné à mesurer le rayonnement passant à travers les cellules. L'élément d'obturateur est conçu pour permettre au rayonnement de passer alternativement à travers la cellule de référence et à travers la cellule d'échantillon à analyser. Le dispositif de Blunck présente cependant une sensi- bilité limitée du fait que l'élément d'obturateur doit Utre orienté et entrainé en rotation autour d'un axe de manière à laisser passer des intensités de rayonnement infrarouge identiques à travers chacune des cellules de référence et d'échantillon. Tout défaut d'alignement de l'élément d'obturateur conduit au passage d'intensités de rayonnement différentes à passage d'intensités de rayonnement différentes à travers les cellules et affecte la sensibilité de l'instrument. Le Brevet U.S.A. N 3 924 949 déposé par Honkawa et Cie est semblable au dispositif de Blunck, mais l'élément d'obturateur est placé en aval des cellules d'échantillon et de référence. Le dis- positif de Brevet Honkawa souffre également d'une perte de sensibilité liée à tout défaut d'alignement de l'élément d'obturateur. Le Brevet U.S.A. N 3 897 154 déposé par Hawes décrit un dispositif dans lequel est utilisé un premier élément d'obturateur partiellement transparent et partiellement réfléchissant permettant de transformer un faisceau de rayonnement unique en une paire de faisceaux de rayonnement modulés, l'un étant dirigé à travers une cellule d'échantillon et l'autre étant dirigé à travers une cellule de référence. Un tel système réduit au minimum les dif- ficultés liées à un défaut d'alignement de l'élément d'obturateur, mais la sensibilité du dispositif de Hawes est limitée du fait que la paire de faisceaux de rayonnement modulés traversent des longueurs de cheminement différentes avant de pénétrer dans leurs cellules respectives. Ces différences de lon- gueurs de cheminement introduisent entre les deux faisceaux de rayonnement des différences qui nuisent à la précision du dispositif. Un défaut analogue existe dans le Brevet U.S.A. N 3 537 797 déposé par Matthews, qui ne prévoit pas non plus de longueurs de cheminement égales pour les deux faisceaux. Le Brevet U.S.A. N 3 851 176 déposé par Jeunehomme et Cie décrit un analyseur infrarouge - dans lequel on fait passer deux faisceaux de rayonne- ment à travers des cellules de filtres d'absorption du rayonnement, puis à travers une cellule de gaz d'échantillon unique. Ainsi, le dispositif de Jeune- homme diffère fondamentalement des autres dispositifs précédemment décrits. Il serait avantageux de pouvoir disposer d'un analyseur infrarouge qui maintienne des intensités égales entre le faisceau d'échantillon et le faisceau de référence, de manière à optimiser la sensibilité du dispositif pour les très petites quantités de l'élément auquel on s'intéresse. Il serait, en outre, avantageux qu'un tel dispositif soit mécaniquement simple et bon marché, tout en conservant des longueurs de cheminement égales entre le faisceau d'échantillon et le faisceau de référence, et en supprimant la perte de sensibilité liée à un défaut d'alignement de l'élément d'obturateur. L'invention a donc pour but de créer un analyseur infrarouge qui maintienne des intensités égales entre le faisceau d'échantillon et le faisceau de référence,qui reste stable en présence de perturba- tiens d'alignement de l'obturateur de découpage, et qui réduise au minimum les variations de sensibilité en fonction des variations de composition du gaz ambiant, en maintenant des longueurs de cheminement égales entre les faisceaux d'échantillon et de réfé- rence. A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'analyseur infrarouge comprenant une source unique d'un faisceau de rayonnement infrarouge; une première chambre d'examen allongée présentant un axe et une première extrémité d'entrée, une seconde chambre d'examen allongée présentant un axe et une seconde extrémité d'entrée; un premier miroir plan fixé dans une orientation plane déterminée à la fois par rapport à l'axe de la première chambre d'examen et par rapport à la source de rayonnement, de façon qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement et tombant sur ce premier miroir plan, soit réfléchi dans la première entrée et suivant l'axe de la première chambre d'examen; un second miroir plan fixé dans une orientation plane déterminée à la fois par rapport à l'axe de la seconde chambre d'examen et par rapport à la source de rayonnement; des moyens d'obturateur de décou- page comportant une face plane réfléchissante montée pour tourner autour d'un axe de façon que la face plane réfléchissante tourne en coupant et en dégageant à intervalles égaux le passage du faisceau de rayonne- ment infrarouge émis par la source de rayonnement, ces 1-5 moyens d'obturateur de découpage et ce second miroir plan étant orientés l'un par rapport à l'autre de façon qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement et réfléchi par la face plane réfléchissante des moyens d'obturateur, de découpage, tombe sur le second miroir plan sous un angle tel qu'il soit réfléchi par celui-ci pour pénétrer dans la seconde entrée de la seconde chambre d'examen suivant l'axe de celle-ci, dispositif caractérisé en ce que la source de rayonnement, les première et seconde chambres d'examen, les premier et second miroirs plans, et l'ensemble d'obturateur de découpage, soient placés les uns par rapport aux autres à des distances telles que la longueur du chemin suivi par un faisceai de rayonnement infrarouge allant de la source de rayonnement au premier miroir plan, et de celui-ci à la première extrémité d'entrée de la première chambre d'examen, soit égale à la longueur du chemin suivi par un faisceau de rayonne- ment infrarouge allant de la source de rayonnement à la face plane réfléchi ssante des moyens d'obturateur de découpage pour atteindre le second miroir plan et, à partir de celui-ci, la seconde extrémité d'entrée de la seconde chambre d'examen. L'invention est décrite en détail au moyen des dessins joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue an pers- pective du côté de dessous d'un analyseur infrarouge selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan, partiellement schématique, de l'analyseur infrarouge de la figure 1, avec certaines parties supprimées dans un souci de clarté; - la figure 3 est une vue de face, en élévation, partiellement schématique, de l'analyseur infrarouge des figures 1 et 2, avec certaines parties supprimées dans un souci de clarté; et, - la figure 4 est une vue de côté, en élévation, partiellement schématique, de l'analyseur infrarouge des figures 1 à 3, avec certaines parties supprimées dans un souci de clarté. Les figures représentent un certain nombre de vues en perspective de l'analyseur infrarouge présentant les caractéristiques de l'invention. L'analyseur infrarouge 10 comprend, d'une façon générale, une source unique d'un faisceau de rayonnement infra- rouge 12, une paire de miroirs plans fixes 14 et 16, une plaque d'obturateur de découpage 18 pouvant tourner autour de l'axe de son arbre de support 20 sous l'action d'un moteur 22 (figure 1), et une paire de chambres d'examen 24 et 26. La source 12, les miroirs 14, 16, et la plaque d'obtuvateur de découpage 18 peuvent 4tre convenablement montés dans un boitier 28, d'une manière qui sera décrite plus en détail ci- après. De la môme façon, les chamores d'examen 24 et 26 peuvent être formées ou montées dans un boitier 30 (figure 1) pouvant ou non être fixé ou faire partie du boitier 28. Comme le montre mieux la figure 2, la source 12 est placée et orientée dans le boitier 28 de telle manière qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par celle-ci, soit dirigé vers le miroir 14. A son tour, le miroir 14 est orienté par rapport à la source 12 et à la chambre d'examen 24 de telle manière qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par la source 12 et tombant sur ce miroir 14, soit réfléchi suivant l'axe de la chambre d'examen 24 pour pénétrer dans celle-ci. La plaque d'obturateur de découpage 18 est p.lacée dans le boitier 28 de façon que sa rotation l'amène alternativement dans le passage et hors du passage du faisceau infrarouge émis par la source 12, de manière à dévier ainsi une moitié du faisceau de rayonnement infrarouge pour que cette moitié ne traverse pas la chambre d'examen 24. Comme le montre mieux la figure 3, la plaque d'obturateur de:découpage 18 comporte une face réfléchissante 32 faisant généralement face à la source 12 pour réfléchir le faisceau de rayonnement infrarouge vers le miroir 16 pendant la période de temps o cette plaque d'obturateur 18 se trouve entre la source 12 et le miroir 14. A son tour, le miroir 16 est placé et orienté par rapport à la plaque d'obtu- rateur de découpage 18 et à la chambre d'examen 26 de telle manière que le faisceau dévié de rayonne- ment infrarouge soit réfléchi du miroir 16 suivant l'axe de la chambre d'examen 26 pour pénétrer dans celle-ci. Cela permet de moduler convenablement le faisceau de rayonnement infrarouge entre les chambres d'examen 24 et 26. En cours de fonctionnement, la chambre dtexamen 24 est remplie d'un gaz de référence standard et la chambre d'examen 26 est remplie d'un échantillon du gaz à analyser. Il est alors comparé l'absorption du rayonnement infrarouge par le gaz de référence et l'absorption du rayonnement infrarouge par le gaz d'échantillon, pour déterminer la concentration des éléments spécifiques du gaz d'échantillon. Pour cela, un détecteur de rayonnement 34 est placé ap voisinage des extrémités de sortie des chambres d'exa- men 24 et 26, de manière à fournir un signal de sortie 36 qu'on analyse d'une manière bien connue de la tech- nique. Cependant, pour obtenir une précision optimale, il est impératif que la fréquence ou l'inten- sité du rayonnement passant dans la chambre d'examen 24, ne varie pas par rapport à la fréquence ou à l'in- tensité du rayonnement passant dans la chambre d'examen 26. Pour cèla, dans la mise en oeuvre de l'invention, la source 12, les miroirs 14 et 16, la plaque d'obtura- teur de découpage 18 et les chambres d'examen 24 et 26 sont placés et orientés avec soin les uns par rapport: aux autres de façon que la longueur du chemin suivi par un faisceau de rayonnement infrarouge allant de la source 12 au miroir 14 et à la chambre d'examen 24, soit égale à la longueur du chemin suivi par l'autre faisceau allant de la source 12 à la face de miroir 32 de la plaque d'obturateur de découpage 18 pour atteindre le miroir 16 et la chambre d'examen 26. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention représentée aux figures 1 à 4, cette caractéristique de l'invention est réalisée de façon convenable en formant les chambres d'examen 24 et 26 le long d'axes parallèles séparés par une distance fixe, en fixant les miroirs 14 et 16 à la même distance l'un de l'autre de façon qu'ils soient équi- distants de leurs chambres d'examen respectives, et en plaçant la plaque d'obturateur de découpage 18 dans un plan équidistant des miroirs 14 et 16. Une telle disposition symétrique des éléments de l'analyseur infrarouge 10 est une caractéristique souhaitable mais non nécessaire de l'invention, car différentes variantes de configurations apparaitront rapidement à la lumière de la présente discussion. REVENDICATIONS 1- Dispositif d'analyseur infrarouge comprenant une source unique d'un faisceau de rayonne- ment infrarouge; une première chambre d'examen allongée présentant un axe et une première extrémité d'entrée; une seconde chambre d'examen allongée présentant un axe et une seconde extrémité d'entrée; un premier miroir plan fixé dans une orientation plane déterminée à la fois par rapport à l'axe de la première chambre d'examen et par rapport à la source de rayonnement, de façon qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement et tombant sur ce premier miroir plan, soit réfléchi dans la première entrée et suivant l'axe de la première chambre d'examen; un second miroir plan fixé dans une orientation plane déterminée à la fois par rapport à l'axe de la seconde chambre d'examen et par rapport à la source de rayonnement; des moyens d'obturateur de découpage comportant une face plane réfléchissante montée pour tourner autour d'un axe de façon que la face plane réfléchissante tourne en coupant et en dégageant à intervalles égaux le passage du faisceau de rayonne- ment infrarouge émis par la source de rayonnement, ces moyens d'obturateur de découpage et ce second miroir plan étant orientés l'un par rapport à l'autre de façon qu'un faisceau de rayonnement infrarouge émis par la source de rayonnement et réfléchi par la face plane réfléchissante des moyens d'obturateur de découpage, tombe sur le second miroir plan sous un angle tel qu'il soit réfléchi par celui-ci pour pénétrer dans la seconde entrée de la seconde chambre d'examen suivant l'axe de celle-ci, dispositif caractérisé en ce que la source de rayonnement, les première et seconde chambres d'examen, les premier et second miroirs plans, et l'ensemble d'obturateur de découpage, soient placés les uns par rapport aux autres à des distances telles que la longueur du chemin suivi par un faisceau de rayonnement infrarouge allant de la source de rayonnement au premier miroir plan, et de celui-ci à la première extrémité d'entrée de la première chambre d'examen, soit égale à la longueur du chemin suivi par un faisceau de rayon- nement infrarouge allant de la source de rayonnement à la face plan réfléchissante des moyens d'obturateur de découpage pour atteindre le second miroir plan et, à partir de celui-ci, la seconde extrémité d'entrée de la seconde chambre d'examen. 2- Dispositif d'analyseur infrarouge selon la revendication 1, caracterisé en ce que les première et seconde chambres d'examen allongées sont parfaitement parallèles l'une à l'autre, et en ce que l'une de ces première et seconde chambres d'examen allongées est une chambre d'échantillon tandis que l'autre est une chambre de références