Brevet FR2613073A1 — publié le 19880930

La presente invention a pour objet un analyseur de gaz a rayonnement lumineux. De nombreux gaz ont la propriété d'absorber un rayonnement lumineux, infrarouge ou ultraviolet selon les cas : les gaz à molécules dissymétriques, c'est-b-dlre ayant des molécules composées de plusieurs atomes répartis entre au moins deux corps simples (tels que le gaz carbonique C02, le méthane CH4, etc.), absorbent le rayonnement infrarouge ; certains gaz à molécules symétriques (tel que le chlore C12, par exemple) absorbent le rayonnement ultraviolet. Comme les fréquences absorbées dépendent de la composition atomique des molécules, cette propriété différencie les uns des autres les gaz d'une même catégorie structurelle.C'est pourquoi il est connu depuis longtemps utiliser cette propriété pour procéder à l'analyse de melanges gazeux dont on veut mesurer la teneur en tel ou tel de ces gaz. L'analyse Qes gaz par mesure de l'absorption de rayonnement lumineux, infrarouge ou ultraviolet, se fait dans des appareils comportant essentlellement une ou deux sources de rayonnement, une cellule d'analyse destinée à contenir le mélange gazeux à analyser, un détecteur d'absorption et, éventuellement, un modulateur destiné à moduler le rayonnement émis. A titre de rappel, la constitution et le fonctionnement d'un appareil de ce type vont être brièvement décrits à partir d'un exemple particuller, en relation avec la figure 1 qui représente une vue en coupe longitudinale schématique, selon un plan vertical, dsun analyseur de gaz à infrarouge. L'analyseur représenté sur cette figure comporte deux émetteurs de rayonnement infrarouge 1, 2 théoriquement identiques, une cellule d'analyse 3 , une cellule de référence 4 contenant un gaz neutre (c'est-å- dire, n'absorbant pas le rayonnement infrarouge, typiquement de I'azote), un détecteur 5 et un modulateur 10, il > 11, 12, 13. La cellule d'analyse 3 se compose d'un cyllndre métallique 31 dont les extrémités sont obturées de façon étanche par des fenêtres 32, 33 transparentes faltes d'un matérlau absorbant peu le rayonnement infrarouge (typiquement un monocrlstal de sel gemme, de fluorure de calcium, de fluorure de lithium). Le cyllndre 31 comporte deux orifices 34, 35 permettant d'établlr une circulation de gaz dans la cellule d'analyse 3. I.a cellule de référence 4 se compose egalement d'un cvfP,ndre métalltque 41 obturé de façon étanche à ses extrémités par des fenêtres 42, 43 transparentes faites d'un matériau absorbant peu le rayonnement infrarouge. Le détecteur 5 est un détecteur capacitif (ou encore pneumatique). II est constitué d'un bloc métallique 51 creux contenant le gaz dont on veut mesurer la teneur dans le mélange gazeux circulant dans la cellule d'analyse 3. Il comporte deux chambres 52, 53 séparées par une cloison 54 dont une partie est constituée par une membrane métallique 55 formant l'armature mobile d'un condensateur. Les deux chambres 52, 53 sont en communication par un condult capillaire 56 pratiqué dans la clolson 54. Le détecteur 5 comporte en outre deux fenêtres 57, 58 ouvrant respectlvement sur les chambres 52, 53. Comme celles des cellules d'analyse et de référence, ces fenêtres sont faltes dun matérlau transparent absorbant peu le rayonnement infrarouge. Selon la disposition particulière décrite dans le brevet françals n 2 086 536 et représentée sur la figure 1, les émetteurs de rayonnement infrarouge 1, 2 sont disposés en vis-à-vis à chacune des extrémités de l'ensemble constitue par la cellule d'analyse 3, le détecteur 5 et la cellule de référence 4, ces trois éléments ayant leurs axes longitudinaux confondus et étant séparés deux à deux par un interstice. Les cellules d'analyse et de référence 3, 4 alnsl que le détecteur 5 sont assujettis à un socle 6 par l'intermédiaire de pieds métalliques massifs, respectivement 7, 8, 9, qui assurent à l'ensemble une bonne stabilité thermique et mécanique. La cellule d'analyse 3 est assujettie au pied 7 de façon à pouvoir en être désolidarisée facilement: en effet, la longueur de la cellule d'analyse étant cholsle en fonctlon de la teneur du gaz à doser (plus la teneur est falble, plus la cellule est longue), on doit pouvoir substituer aisément une cellule d'analyse à une autre selon les besoins. L'analyseur représenté sur la figure t comporte en outre un moteur 10 entraînant en rotation un arbre lt auquel sont assujettis deux disques 12, 13 perpendiculaires audit arbre et pénétrant respectivement dans les deux interstices séparant les cellules d'analyse et de référence 31 4 du détecteur 5. Les disques 12, 13 sont ajoures sur une partie de leur circonférence de façon que, selon que leur ajour ou que leur partie pleine se trouve sur le trajet optique des émetteurs 1, 2, le rayonnement infrarouge pénètre ou ne pénètre pas dans les chambres 51, 52 du détecteur 5. Avantageusement, tous les éléments de l'analyseur qui vtent d'être décrit sont placés dans un calsson étanche empll d'un gaz neutre, de façon que l'air "ambiant -qui est susceptible de contenir une certaine quantité de l'un des gaz qu'on cherche fréquemment à doser (cas du C02, par exemple)- ne pulsse fausser la mesure par sa présence dans les interstices séparant les cellules d'analyse et de référence 3, 4 du détecteur 5, notamment. Quand on a disposé l'analyseur dans un tel caisson, on peut faire l'économie de la cellule de référence 4 qui n'a plus alors de raison d'être. Le fonctionnement de l'analyseur est le suivant : quand on introduit un mélange gazeux contenant une certaine proportion d'un gaz X dans la cellule d'analyse 3 d'un analyseur dont le détecteur 5 est rempli dudit gaz X, la quantité de rayonnement infrarouge qui parvient dans la chambre 51 du détecteur 51 est inférieure à celle qui est émise par l'émetteur 1, la différence ayant été absorbée par le gaz X présent dans le mélange contenu dans la cellule d'analyse 3. En revanche, la totalité du rayonnement infrarouge émis par l'émetteur 2 parvent dans la chambre 53 du détecteur 5, pulsque le gaz contenu dans la cellule de référence 4 est neutre. il en résulte une différence de pression entre les deux chambres qui provoque une déformation de la membrane 55 d'autant plus forte que la teneur en gaz X du mélange gazeux analysé est importante.Grâce à la rotation des disques 12, 13, qui interceptent, simultanément sur une même fraction de tour, le rayonnement infrarouge émis par les émetteurs 1 et 2, et grâce au condult capillaire 56 qui permet, pendant cette période d'occultatlon, l'équilibrage des pressions dans le détecteur 5. la memb, ane 55 se déforme pérlodiquement, ce qui donne naissance à des signaux électriques modulés, électroniquement exploitables. Dans une varlante de l'analyseur décrit plus haut, les émetteurs 1 et 2 sont disposés côte à côte de façon à émettre des rayons parallèles, les fenêtres des chambres du détecteur étant situées dans un même plan et non dans deux plans parallèles. Tous les analyseurs à rayonnement lumineux (infrarouge ou ultraviolet) fonctlonnent sur le principe que l'on vient d'evoser à propos de l'analyseur représenté sur la figure 1, même s'ils different au plan de la réalisation. Alnsl, certains analyseurs ne comportent-lls qu'un émetteur dont le faisceau est dédoublé en des falsceaux parallèles par un dispositif optique approprié. D'autres analyseurs n'ont pas de cellule de référence et fonctionnent avec un faisceau unique. Le détecteur capacitif (sensible au variations de pression) décrit plus haut n'est pas le seul utilisé. Il peut être remplace, selon les cas, par un détecteur au sulfure de plomb ou au sélénlure de plomb (sensible à la température), par une thermopile, etc. Enfin, dans certains types d'analyseur, la modulation du faisceau de rayonnement n'est pas nécessaire. Eu égard à sa conformatlon générale, et en particulier à la conformation de sa cellule d'analyse 3, I'analyseur décrit plus haut comme les analyseurs connus de l'art antérleur- est particulièrement adapté à l'analyse de mélanges gazeux ayant une source continue et accessible, auprès de laquelle on peut placer l'analyseur. Comme exemple de tels mélanges gazeux, on peut citer les gaz d'échappement des moteurs, les fumées d'usine, les gaz produits lors du déroulement de processus Industriels dans les raffinerles, les usines sidérurgiques et chimiques, etc. Dans ces cas, il est en général assez aisé de faire un prélèvement conttnu du mélange gazeux à analyser par pompage, mélange gazeux que l'on fait circuler en continu dans la cellule d'analyse 3. Cependant, dans le cas de sources de mélanges gazeux difficilement accessibles ou présentant certaines particularités, l'utilisation de cet analyseur pose des problèmes qui ne sont pas résolus actuellement, ou pas de façon totalement satisfaisante. Alnsl, par exemple, quand, dans le cadre d'études vulcanologiques, on veut déterminer la composition des fumerolles sur des sites où 11 est en général impossible d'installer des analyseurs, on prélève sur place des échantillons de gaz dans des récipients appropriés (sacs barytés, éprouvettes), puis on apporte ces récipients à un laboratolre. Là, une partie de leur contenu est transféré dans la cellule d'analyse 3 d'un analyseur où il est emprisonné hermétiquement.Cette opréatlon de transfert est déllcate et on n'est jamais totalement assuré que le mélange gazeux que l'on dose est absolument Identique à celul que l'on a prélevé sur le site. Le problème se complique encore, pour devenlr insoluble, lorsqu'on se propose d'étudler l'évolution d'un mélange gazeux enclos dans un récipient étanche. Ce mélange gazeux peut être produit par la réaction lente des produits contenus dans le récipient, par exemple par la décomposition de matières organiques.Actuellement, dans des situations expérimentales de ce genre, la seule mesure qu'on puisse faire est celle de la composition du melange gazeux à un Instant donné sans avoir moyen de connaître quelle elle était antérleurement, nl quelle elle sera ultérieurement : en effet, si, à un instant donné, on peut toujours prélever du récipient un échantillon de mélange gazeux que l'on remplace par une quantité équivalente de gaz neutre et que l'on transfère, avec les rlsques d'erreur que cette manipulatlon comporte, dans la cellule d'analyse d'un analyseur, on aura par là même modifié la composition du mélange gazeux présent dans le récipient, c'est-à-dire les conditions de l'expérience, et un échantillon prélevé ultérieurement ne donnera pas d'indications utiles sur l'évolution spontanée du mélange gazeux. L'objet de la présente invention est un analyseur de gaz à rayonnement lumineux (infrarouge ou ultravtolet) qui permette le dosage d'un échantillon d'un mélange gazeux enclos dans un récipient étanche, que ce mélange gazeux sot stable ou qu'll évolue dans le temps, sans qu'il solt besoin de transférer une partie de cet écha!ltlllon dans une partie dudit analyseur. L'analyseur selon l'invention, qui comporte essentiellement au moins une source de rayonnement lumineux (infrarouge ou ultravtolet), une cellule d'analyse, un détecteur, et, éventuellement, une cellule de référence et des moyens de modulation pour moduler le(s) falsceau(x) émis par la(les)dite(s) source(s) de rayonnement, se caractérise en ce que la cellule d'analyse est un récipient, bouchable hermétiquement, dont l'axe longitudinal est situé dans un plan sensiblement perpendiculalre au trajet optique du faisceau émis par la (une des) source(s) de rayonnement. Selon une caractéristique de l'invention, l'analyseur peut comporter au moins deux réciplents d'analyse pour contenir respectivement deux mélanges gazeux à analyser alnsl que des moyens d'acheminement pour déplacer lesdites cellules par rapport au trajet optique du faisceau émis par la (une des) source(s) de rayonnement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique, selon un plan vertical, d'un premier mode de réalisation de l'analyseur de gaz selon l'invention la figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique, selon un plan horizontal, d'un second mode de réalisation de l'analyseur selon l'invention la figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique, selon un plan vertical, d'un troisième mode de réalisation de l'analyseur de gaz, selon l'invention; la figure 5 est une vue en coupe schématique de l'analyseur de gaz représenté sur la figure 4, selon la ligne A-A; et La figure 6 est une vue en coupe longitudinale schématique, selon un plan horizontal, d'un quatrième mode de réalisation de l'analyseur de gaz selon l'invention. L'analyseur de gaz représenté sur la figure 2 comporte un certaln nombre de pièces communes avec l'analyseur de gaz connu de l'art antérieur représenté sur la figure 1. Ces pièces, qui sont repérées par les mêmes chiffres de référence, ne seront donc pas décrites cidessous, non plus que le fonctionnement de l'ensemble, dont le principe est identique à celul d'un analyseur classique. (Il va de sol que la partie de l'analyseur selon l'invention qui est connue de l'art antérleur pourrait n'être pas identique à la partie correspondante de l'analyseur représenté sur la figure 1, mais qu'on a adopté une même disposition pour des raisons de clarté. Ainsi, l'analyseur selon l'invention pourrait tout aussi bien ne comporter qu'un seul émetteur, il pourralt être muni d'un détecteur solide, le faisceau émis pourrait n'être pas modulé, etc.) La différence essentielle qui sépare l'analyseur de la figure I de celui de la figure 2, réside dans la conformation et la disposition de la cellule d'analyse. Par opposition à la cellule d'analyse 3, celle de l'analyseur selon l'invention est constituée par un récipient 15 pouvant être fermé hermétiquement, dont l'axe longitudinal est contenu dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe optique de l'analyseur (axe joignant les deux émetteurs de rayonnement 1, 2 situés en vis-à-vis).Le récipient 15, qui est de section transversale quelconque (circulaire ou polygonale, par exemple), comporte au moins deux surfaces transparentes symétriques par rapport à son axe longitudlnal, destinées au passage du faisceau émis par l'émetteur 1. Ce récipient peut être constitué par une éprouvette ou un flacon de verre ou de pyrex du type de ceux qui sont utilisés dans les laboratoires de chimie.Il peut être fait aussl d'un matériau opaque inerte (métal, matérlau de synthèse), et comporter, à une distance convenablement choisie de son fond, deux fenêtres transparentes symétriques par rapport à son axe, lesdites fenêtres étant avantageusement faltes d'un matériau absorbant peu le rayonnement infrarouge (monocristal de sel gemme, de fluorure de calcium oii de tlthium, pir exemple). Le rhelpielt !5 est pnsitiol:nG i façon précise par rapport à l'émetteur 1 et au détecteur 5, au moyen d'un organe de préhension 16, lul-même assujettl au socle 6.L'organe de préhension 16 est muni de mors réglables 17, 18 permettant l'assujettissement de récipients d'analyse 15 de sectlons différentes. Avantageusement, le serrage des mors 17, 18 sur le récipient 15 est assuré par un dispositif d'actionnement rapide. Alnsl, alors que dans l'analyseur représenté sur la figure 1 la cellule d'analyse 3 est installée à demeure et sert de réceptable temporalre aux différents mélanges gazeux qu'on y introduit successivement, dans l'analyseur selon l'invention, la démarche est inverse et le récipient d'analyse 15 n'est monté sur ledit analyseur que le temps d'une mesure et n'est le lieu d'aucun transfert de gaz.On prévolt en effet que le récipient d'analyse 15 pourra être avantageusement le récipient avec lequel on prélève un échantillon du mélange gazeux que l'on veut doser ou dans lequel on place, avant de le fermer hermétiquement, les prodults ou les substances dont la réactlon ou la transformation donnent naissance à des gaz dont on veut étudier la composition et l'évolution. La figure 3 représente un autre analyseur de gaz selon l'invention qui se différencie du précédent essentiellement en ce que ses émetteurs 1 et 2 sont situés non en vis-à-vis mals côte à côte, les falsceaux qu'ils émettent étant sensiblement parallèles. Les fenêtres des chambres 52, 53 du détecteur 5 sont situées dans un même plan perpendiculaire à la direction du rayonnement Infrarouge. Un disque ajouré unique 12, entrainé par un moteur 10 et disposé également dans un plan perpendiculaire a la direction du rayonnement infrarouge, sert à moduler ce rayonnement. Les analyseurs représentés sur les figures 4, 5 et sur la figure 6 sont particulièrement destinés au dosage de mélanges gazeux qui évoluent en vase clos et dont on veut étudier les transformations. L'analyseur représenté sur les figures 4 et 5 se différencie de l'analyseur représenté sur la figure 2 en ce qu'il comporte plusieurs organes de préhension 16 (quatre sur les figures, ce nombre étant arbitraire) qui sont assujettis à une platine 19 mobile par rapport au socle 6. La platine 19 a la forme d'un disque percé en son centre d'un alésage cylindrique 20. La platine 19 est parallèle au socle plan 6, lequel comporte un massif cylindrique 21 de diamètre légèrement inférieur à celui de l'alésage 20 et d'axe perpendiculaire au socle 6. Le massif 21 sert à guider et à centrer la platine 19 par rapport au socle 6. C'est à ce massif qu'est assujetti le support 22 de l'émetteur 1. La platine 19 comporte également un évidement circulaire débouchant sur sa face inférieure, destiné au logement d'un roulement à billes 23 grâce auquel elle peut tourner sur le socle 6. Elle est entraînée en rotatlon par un moteur 24. Un système électronique commande le fonctionnement de ce moteur de façon que chacun des récipients d'analyse 15 solt ramené à des intervalles de temps réguliers, avantageusement réglables, et immobilisé quelques instants rigoureusement dans une même position par rapport a l'émetteur I et au détecteur 5. Lorsque le récipient 15 est stabilisé dans sa position de mesure, le système électronique commande l'enregistrement de la teneur du gaz que l'on dose, puis la remise sous tension du moteur 24. L'analyseur représenté sur la figure 6 comporte un charlot 25 mobile par rapport au socle 6 sur un axe perpendlculaire a la direction du rayonnement émis par l'émetteur 1. Le chariot 25 supporte plusieurs organes de préhension 16 (quatre sur la flgure, ce nombre étant purement arbitraire). Le charlot 25 est entraîné en translatlon par un moteur 26 à l'axe duquel est fixée une roue dentée 27 qui coopère avec une crémaillère 28 assujettie audit chariot. Un système électronique similaire à celul de l'analyseur représenté sur les figures 4 et 5 commande le fonctionnement de ce moteur. Les deux analyseurs précédents présentent deux avantages considérables: d'une part, ils permettent de sulvre et d'enregistrer automatiquement l'évolution de mélanges gazeux contenus dans plusieurs réciplents 15 danalyse au moyen d'un seul disposait'. d'analyse ; d'autre part, ils permettent d'éviter, comme ce seralt le cas st on ne disposait que d'un analyseur du type représenté sur la figure 2, toute manipulation des récipients 15 entre deux mesures. Ce dernier polnt est particulièrement important quand on utilise des récipients d'analyse 15 de verre ou de pyrex. Ces matériaux n'étant pas absolument homogènes, une légère modification de la position d'un récipient 15 par rapport à la position qu'il occupalt lors d'une mesure antérieure rlsque de fausser la courbe d'évolution d'une teneur. L'analyseur de gaz selon l'lnventson, quel que soit son mode de réalJsatron, est avantageusement enclos dans un calsson étanche munl d'une porte en rendant l'accès facile. Après la mise en place d'un récipient d'analyse 15, on prévoit de purger l'air ayant pénétré dans le caisson par une chasse d'azote. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui vlennent d'être décrits ; elle est, au contralre, susceptible de varlantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1. Analyseur de gaz à rayonnement lumineux pour le dosage d'un gaz dans un mélange gazeux par mesure de l'absorption dudit rayonnement, ledit analyseur comportant - au moins une source de rayonnement lumineux (1, 2) - un organe de détection (5) de l'absorption dudit rayonnement, - une cellule pour contenir le mélange gazeux à analyser, ladite cellule comportant deux surfaces transparentes séparées par une couche du gaz à analyser et disposées sur le trajet optique du faisceau émis par ladite (une desdites) source(s) de rayonnement (1, 2), entre ladite source et le détecteur (5), ledit analyseur se caractérlsant en ce que la cellule d'analyse est un récipient (15) bouchable hermétiquement, dont l'axe longitudinal est situé dans un plan sensiblement perpendiculaire au trajet optique du faisceau émis par ladite (une desdites) source(s) de rayonnement. 2. Analyseur de gaz à rayonnement lumlneux pour le dosage successif d'un gaz dans au moins deux mélanges gazeux, par mesure de l'absorption dudit rayonnement, ledit analyseur comportant - au moins une source de rayonnement lumineux (1, 2) - un organe de détection de l'absorption dudit rayonnement (5), ledit analyseur se caractérisant: .en ce qu'il comporte au moins deux cellules (15) pour contenir respectivement les deux mélanges gazeux à analyser ainsi que des moyens d'acheminement (19, 24; 25, 26) pour déplacer lesdites cellules par rapport au trajet optique du faisceau émis par ladite (une desdites) source(s) (1, 2), lesdites cellules comprenant deux surfaces transparentes séparées par une couche du gaz a analyser et étant disposées tour à tour sur ledit trajet optique, lesdites surfaces transparentes se trouvant alors entre ladite source et le détecteur (5), et en ce que chaque cellule d'analyse est un récipient (15 > bouchabte hermétiquement, dont l'axe longitudinal est situé dans un SU sensiblement perpendiculaire audit trajet optique lorsque ladite cellule est disposée sur ledit trajet optique. 3. Analyseur de gaz selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le récipient d'analyse (15) est fait d'un matériau transparent. 4. Analyseur de gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que barrez le récipient d'analyse (15) est en verre. 5. Analyseur de gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que le récipient d'analyse (15) est en pyrex. 6. Analyseur de gaz selon une des revendlcatlons 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient d'analyse (15) comporte deu > . fentr: transparentes symétriques par rapport à son axe longitudinal. 7. Analyseur de gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que; les moyens d'acheminement comportent une platine (19) circula entraînée en rotation par un moteur (23). 8. Analyseur de gaz selon la revendication 2, caractérise en ce que; les moyens d'acheminement comportent un charlot (25) entraîné en translatlon par un moteur (26) sur un axe perpendiculaire à la direct du (des) faisceau(x) émis par la(les)d#e(s) source(s) de rayonnement. 8. Analyseur de gaz selon une des revendications précédentes. caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un organe de préhension (16, 17, 18) réglable, a mise en oeuvre rapide, pour assujettir le récipient d'analyse (15). 9. Analyseur de gaz selon une des revendlcations précédentes; caractérise en ce que sa (ses) source(s) de rayonnement émettent desrayons infrarouges. 10. Analyseur de gaz selon une des revendications 1 à 8; caractérisé en ce que sa (ses) sources de rayonnement émettent des rayons ultraviolets.