Brevet FR2616226A1 — publié le 19881209

"Dispositif de compensation d'humidité pour un détecteur de type photo- ionisation, et appareil pour sa mise en oeuvre." La présente invention concerne des détecteurs de type photo-ionisation. Plus précisement, la présente invention concerne des détecteurs de type photo-ionisation qui ont une ca- pacité de compensation d'humidité. On utilise couramment la détection de gaz par photo-ionisation dans des applications o des gaz toxiques peu- vent se répandre dans l'environnement respirable. Un sérieux obs- tacle à la réalisation de la détection de gaz par photo-ionisation dans un instrument portable est le haut degré de sensibilité à la vapeur d'eau, interférant négativement, qui est manifestée par de tels détecteurs. Par exemple, les études de Chilton et coll., American Industrial Hyqiène Association Journal, 44, 710 à 715 (1983) et de Barski et coll., American Industrial Hygiène Asso- ciation Journal, 46, 9.14 (19.85) confirment que la réponse d'un détecteur de photo-ionisation est notablement réduite en présen- ce d'une concentration accrue de vapeur d'eau. Dans les conditions normales d'utilisation, on étalonne avant l'emploi un instrument portable utilisant un dé- tecteur de photo-ionisation, avec un gaz détendu contenant une concentration connue d'un corps ionisable et une pression par- tielle établie de vapeur d'eau, normalement voisine de zéro. Lorsqu'on utilise ensuite un tel instrument pour analyser un 26 1 6226 échantillon d'une atmosphère ambiante contenant le même con- taminant à la même concentration, l'instrument enregistre inva- riablement une valeur inférieure à celle obtenue, lors de l'é- talonnaqe, en raison de la présence de vapeur d'eau dans l'é- chantillon prélevé sur le terrain. Etant donné que l'atmosphère ambiante contient toujours un certain degré d'humidité, dans les conditions réelles d'utilisation des instruments de ce type sont susceptibles de donner des sous-estimations grossières du niveau de toxicité de l'environnement ambiant respirable. En conséquence, un objet de la présente inven- tion est de fournir un détecteur de type photo-ionisation qui ait la capacité de compensation de l'humidité présente dans l'at- mosphère ambiante. Un autre objet de l'invention est de fournir un détecteur de type photoionisation qui ait la capacité de compenser la sensibilité, due à l'humidité présente dans l'at- mosphère analysée, interférant négativement dans celui-ci. Un autre objet de la présente invention est de fournir une compensation d'humidité à un détecteur de type photo-ionisation, qui soit directement incorporée dans l'ins- trument de manière à ce que l'opérateur soit libéré de la né- cessité d'établir des facteurs de correction en corrélation avec l'humidité. Ces objets et d'autres de la présente inven- tion sont réalisés par un détecteur de type photo-ionisation à compensation d'humidité, comprenant: un capteur de photo- ionisation pour la détection de contaminants dans l'air et la production d'un signal proportionnel aux contaminants détectés; un capteur d'humidité pour la détection de l'humidité présente dans l'air et la production d'un signal proportionnel à l'humi- dité détectée; un capteur de température pour la détection de la température de l'air et la production d'un signal proportion- nel à la température détectée; un microcalculateur raccordé pour recevoir en tant qu'entrées les signaux de sortie du cap- teur de photo-ionisation, du capteur d'humidité et du capteur 26 1 6226 de température, pour le calcul de la teneur absolue en vampeur d'eau de l'atmosphère analysée, à partir de laquelle le micro- calculateur choisit ensuite un facteur de correction préétabli et applique le facteur de correction au signal du capteur de photo- ionisation pour compenser la sensibilité, interférant né- gativement dans celui-ci, due à l'humidité, et un moyen d'affi- chaqe relié au microcalculateur, pour l'affichage du siqnal com- pensé. On appréciera aisément et plus complètement l'invention, ainsi que de nombreux avantages, qui s'y rattachent, à l'aide de la description détaillé ci-après, considérée en rap- port avec les dessins ci-annexés, sur lesquels la figure 1 est un diagramme d'ensemble du détecteur de type photo-ionisation à compensation d'humidité; la figure 2 est un graphique de la réponse d'un détecteur de photo-ionisation pour plusieurs con- centrations différentes d'un gaz, montrant le signal du capteur de photoionisation, normalisé à la réponse de celui-ci à l'air sec, en fonction de la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'atmosphère analysée. Si l'on se réfère 3 présent aux dessins, sur lesquels des numéros de référence identiques désignent des par- ties identiques ou correspondantes dans l'ensemble des diverses vues, et plus particulièrement à la figure 1, un détecteur de type photo-ionisation à compensation d'humidité 10 est représen- té. Le détecteur de type photo-ionisation à compensation d'hu- midité 10 est composé d'un capteur de photo-ionisation 11 qui détecte dans l'atmosphère environnante des gaz contaminants tels que le benzène, un capteur d'humidité 12 qui détecte l'humidité de l'atmosphère à analyser par le capteur 11, et un capteur de température 33 qui détecte la température de l'atmosphèreà ana- lyser par le capteur Il. L'humidité et la température, détectées respectivement par le capteur d'humidité 12 et par le capteur de température 13, provoquent la production à partir de ceux- ci de signaux électriques correspondant à l'humidité et à la température de l'air. Ces sionaux arrivent à un microcalculateur 14 qui calcule le degré absolu d'humidité de l'atmosphère ana- lysée et utilise cette valeur pour modifier le siqnal du capteur de photoionisation 11 en fonction d'une valeur préétablie, pour compenser la sensibilité interférant négativement dans le capteur de photo-ionisation 1], due à l'humidité de l'atmosphère analy- sée. Le signal résultant, provenant du microcalculateur 14, est un signal essentiellement exact en ce qui concerne la concentra- tion du contaminant détecté dans l'atmosphère. Un dispositif d'af fichage 18 affiche pour un observateur le sional compensé. Plus précisément, le détecteur de type photo- ionisation à compensation d'humidité est basé sur la découverte que pour un gaz contaminant donné, par exemple le benzène, la diminution de la réponse du capteur en fonction de la concentra- tion de la vapeur d'eau est indépendante de la concentration du contaminant dans une gamme étendue de concentrations du contami- mant. Ainsi, dans une situation d'échantillonage, on peut dé- terminer la concentration de la vapeur d'eau et on peut appliquer à la réponse du capteur de photo-ionisation un facteur préétabli corrigeant les mesures dues à l'humidité, pour donner les valeurs qui- seraient obtenues sous étalonnage, c'est-à-dire dans des conditions d'air sec. Ce phénomène est mis en évidence à la fi- gure 2 qui représente un graphique de trois concentrations dif- férentes, par exemple de benzène dans de l'air, qui sont portées sur un graphique donnant en pourcentage le signal en air sec en fonction de l'humidité relative. L'axe des Y du graphique donne en pourcentage la réponse de signal du capteur 1] relatif à l'aii sec. L'axe des X du graphique donne la pression partielle de la vapeur d'eau dans l'air. Le graphique montre qu'à mesure que s'accroit l'humidité dans l'air analysé, l'exactitude de la ré- ponse du capteur de photo-ionisatibn 1] diminue. Avec une pres- sion partielle de vapeur d'eau de seulement 665 Pa (5 mmHg) (qui représentait, pour les conditions existant à l'instant de la me- sure, une humidité relative de 25 % HR), présente dans l'air ana. lysé, la réponse du capteur de photo-ionisation]] est d'envi- ron 50 % inférieure à ce que devrait être la réponse réelle. 26 1 6226 Dans un environnement o sont présents des gaz toxiques, et o on se fie au détecteur de photo-ionisation pour informer les uti- lisateurs sur la toxicité de l'atmosphère, une erreur de cet or- dre pourrait mettre en danger la sécurité de l'opérateur. Fn outre, le graphique montre également que pour trois concentrations dif- férentes de benzène dans l'air, la réponse du capteur de photo- ionisations]I en fonction de l'humidité relative est essentielle- ment identique. Ceci indique que la diminution de la réponse du capteur en fonction de la concentration de'la vapeur d'eau dépend de la concentration du contaminant dans une camme étendue de con- centrations du contaminant. En multipliant la réponse du capteur de photoionisation 11 par l'inverse de la valeur Y de la courbe correspondant à l'humidité absolue obtenue par le microcalculateur 14 à partir des signaux fournis par le capteur d'humidité]2 et le capteur de température]3, on peut obtenir une détermination exac- te de la concentration d'un gaz détecté. Par exemple, en se réfé- rant à la figure 2, si la pression partielle de la vapeur d'eau contenue dans l'air analysé est égale à]330 Pa (10 mmHq), la va- leur Y correspondante de la courbe est égale à 33 % ou 1/3 de la réponse obtenue en air-sec. En multipliant la réponse du capteur de photo-ionisation 1] par un facteur de trois, on obtient la ré- ponse exacte 1 + 1/3 (l'inverse de Y) du capteur de photo-ionisation 1]. Dans l'expérience effectuée pour obtenir la figure 2, on a utilisé le mélange d'un courant d'air ayant une teneur connue en contaminant, et d'un second courant d'air ayant une teneur en humidité connue. En bref, l'appareil de mélange de gaz utilisait trois canaux d'alimentation différents, un canal contenant un courant d'air ayant une teneur connue en gaz à détecter, le second canal contenant un courant d'air comportant une pression partiel- le connue de la vapeur d'eau, et le troisième canal contenant de l'air sec. On a obtenu la teneur en humidité dans le second canal en faisant passer un courant d'alimentation en air sec dans un barboteur. On a ensuite combiné les courants des trois canaux pour atteindre la concentration désirée de gaz à analyser avec une teneur en humidité désirée. Pour une complète description de l'expérimentation avec mélange de qaz, voir Chilton et coll., réf. citée plus haut. Pour l'obtention des résultats représentés sur la figure 2, on effectue l'expérience b 220C environ. Dans un mode de réalisation préféré parmi de nombreux possibles, un détecteur de photo-ionisation]O, lequel est bien connu dans la technique, analyse en continu l'atmos- phère environnante quant à la présence de gaz toxiques. En même temps, un capteur d'humidité 12, tel qu'un capteur d'humidité relative Mepco/Electra, modèle nO5X38H]22R, analyse en continu la même atmosphère qui est analysée par le capteur de photo- ionisation 1]. Ce capteur est un condensateur dont la capacité dépend de l'humidité relative. Etant donné que l'entrée du micro- calculateur 14 demande un signal de tension, la capacité du cap- teur d'humidité'doit être convertie en un signal de tension. Ceci peut être réalisé d'un certain nombre de façons, dont une a été décrite par Kurt Irgum dans Analytical Chemistry, vol. 55, 1983, p. 11861187. On effectue la détection de l'humidité en plaçant le capteur d'humidité 12 en aval dans le conduit d'air du détecteur de photoionisation JO. Au moyen d'une pompe 24, on fait passer en continu de l'atmosphère ambiante dans le cap- teur de photo-ionisation 11 et dans le capteur d'humidité 12, par le conduit d'air 30. Une pompe 24 qu'il est possible d'utiliser est le système de pompe MSA modèle B et un moteur. De même, on dispose en aval du capteur d'humidité 12, dans le conduit d'air 30, un capteur de température 13 pour détecter la température de l'atmosphère analysée. Un capteur de température pourrait par exemple être une sonde de mesure de la température de précision National Semiconductor modèle LM335, utilisée comme la sonde de mesure étalonna décrite dans le National Semiconductor Data Con- version/Acquisition Databook, édition 1984, p. 9-17. Les répon- ses du capteur d'humidité]2 et du capteur de température 13 sont entrées dans un microcaleulateur 14. Le microcalculateur 14, par exemple un microcalculateur monopuce Motorola MC68HR]]DY HCMOS, reçoit en tant qu'entréesles réponses du capteur de photo-ionisation 11, du capteur d'humidité 12 et du capteur de température 13. En fonction du réglage d'une touche de fonction 32, le signal provenant du capteur de photoionisation est-soit traité par le microcalculateur sur une des qammes, sélectionnée manuellement, de concentration du contaminant dans l'air, soit, si la touche est sur le mode de changement automatique de gamme, traité automatiquement par le microcalculateur sur la gamme ap- propriée, comme il est bien connu dans la technique. A partir des signaux d'humidité et de tempéra- ture provenant des capteurs, le microcalculateur 14 calcule la concentration de la vapeur d'eau dans le courant échantillon pré- levé dans l'atmosphère ambiante. Ceci est effectué en partant de la définition de l'humidité relative Pw =:R Ps (]) dans laquelle équation Pw est la pression partielle de l'eau en mmHg (I mmHg L 133 Pa) à la température T en C, Ps est la pres- sion partielle de l'eau, en mmHg, pour la saturation totale à la température T, et HR est l'humidité relative en pourcent. La pres- sion partielle Ps est Ps = 10+ e8.1076 -]750.3/(235 + T) (2) L'introduction de l'équation 2 dans l'équation] donne P O = R 0+(8.)076 - 1750.3/(235 + T) (3) Ici, T est mesuré par le capteur de température 13 et HR est me- suré par le capteur d'humidité 12. Le microcalculateur 14 utilise alors la valeur obtenue à partir du calcul de la concentration de la vapeur d'eau, pour produire un facteur de correction à appliquer au signal brut provenant du capteur de photo-ionisation 11. En rappelant la méthode décrite plus haut pour la détermination du facteur de correction est que Y est la frac- tion du signal réponse du capteur 13 relative à l'air sec, on a déterminé que Y = 1,Oe - 0,]2 x Pw (4) (en %: Y = 100 * e - 0,12 x Pw) Le facteur de correction à appliquer au signal produit en air humide est alors c = 1 = 1,0 0,12 x Pv (5) Soit Sm la valeur du signal constatée en air humide et Sa la valeur du signal qui serait constatée si l'air était sec, c'est- à-dire le signal réel en air sec, on obtient Sa = C x Sm = Sm * e 0,12 x Pw (6) Pw étant tel que défini dans l'équation 3. Il faut noter que le signal du détecteur de photo-ionisation Il contient une information correspondant à l'intensité du courant. Le microprocesseur demande que l'entrée soit fonction de la tension. Les capteurs d'humidité et de tem- pérature, comme mentionné plus haut, fournissent des signaux qui sont déjà sous la forme adéquate. On utilise un convertisseur d'intensité en tension et un préamplificateur 20 pour mettre le signal provenant du capteur de photo-ionisation 11 sous la for- me adéquate, et on les connecte électriquement entre le capteur 11 et le microcalculateur 14. Un convertisseur d'intensité en tension est un sousensemble électronique courant, décrit dans de nombreuses publications, telles que Burr-Brown Product Data Books, édition 1982, p. 1-34. On peut obtenir le facteur de correction de plusieurs façons. Une méthode possible consiste à mettre en mé- moire dans la mémoire du microcalculateur 14 chaque valeur de l'inverse de la courbe en une série préétablie de valeurs sépa- rées de l'humidité. Une fois terminé le calcul de l'humidité, le microcalculateur 14 peut alors rechercher dans sa mémoire la valeur d'humidité enregistrée la plus voisine de la valeur cal- culée, et prendre le facteur de correction correspondant (l'in- verse de la valeur Y à la valeur X ou d'humidité) identifié avec celle-ci. Une autre façon de calculer le facteur de correction consiste à conserver en mémoire l'équation de la courbe indi- quée sur le graphique de la figure 2. Une fois déterminée la con- centration de l'humidité ou vapeur d'eau, la concentration est 2 6 1 6226 mise à la place de la variable x de l'équation, qui à son tour donne la valeur Y de la courbe correspondant à la concentration de la vapeur d'eau. La valeur Y est ensuite inversée, pour don- ner ainsi le facteur de correction. En fonction de la position de la touche de compensation 34, le signal provenant du capteur de photo-ionisatior est ajusté ou non au moyen de la correction. Si la touche de com- pensation 34 est réglée sur le canal 28, le signal provenant du capteur de photo-ionisation 11 n'est pas ajusté par le facteur de correction. Si la touche de compensation 34 est réglée sur le canal 29, le signal provenant du capteur de photo-ionisation est corrigé par le facteur de correction calculé. La correction est effectuée par la multiplication du signal du capteur de photo-ionisation par le facteur de correction. , On utilise l'opération de multiplication entre le signal du capteur de photo-ionisation Il et le générateur de facteur de correction]4, car la réponse du capteur de photo- ionisation 11 est fonction de la concentration de gaz présente, mais la réponse du capteur Il eu égard à l'exactitude de la concentration détectée est seulement fonction de l'humidité. La multiplication de la réponse du capteur de photo-ionisation 11 par un facteur de correction préétabli donne le résultat exact quelle que soit la concentration du gaz. Ceci s'oppose à l'utilisation, par exemple,d'une addition, dans laquelle il faut déterminer différents facteurs de correction pour effec- tuer une compensation correcte pour chaque concentration de gaz détectée. La multiplication supprime donc une étape par rapport à l'addition, pour aboutir à une compensation correcte de la réponse du capteur de photo-ionisation. Le signal corrigé est alors envoyé, soit cor- rigé soit non corrigé, en fonction de la position de la touche de compensation, à un dispositif d'affichage 18. Le dispositif d'affichage peut consister par exemple en une unité parmi de nombreuses unités d'affichage à cristaux liquides,telle que le modèle BL 100 de Modutec. ] 0 Il doit être bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre illustratif et non limi- tatif et que toutes variantes ou modifications peuvent y être apportées sans sortir pour autant du cadre général de la pré- sente invention, tel que défini dans les revendications ci- annexées. 26 1 6226 ]]I R E -V E N D I C A T I O N S 1 ) Dispositif de type photo-ionisation à com- pensation d'humidité, caractérisé en ce qu'il comprend: un capteur de photo-ionisation (11) pour la détection de contaminants dans l'air et la production d'un signal proportionnel aux con- taminants détectés: un capteur d'humidité (12) pour la détection de l'humidité dans l'air et la production d'un siqnal proportionnel à l'humidité détectée: un capteur de température (13) pour la détection de l'humidité détectée l'air et la production d'un signal proportionnel à la températu- re détectée; un microcalculateur (14) connectépour recevoir en tant qu'entrées les signaux de sortie du capteur de photo-ionisation, du capteur d'humidité et du capteur de température, pour le calcul de l'hu- midité, à partir de laquelle le microcalculateur choisit ensui- te un facteur de correction préétabli, et applique le facteur de correction au signal du capteur de photo-ionisation, pour compenser la sensibilité, interférant négativement dans celui- ci, due à l'humidité: et un moyen d'affichage (18) connecté au microcalculateur pour l'affi- chage du signal compensé. 2 ) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le facteur de correction est 1,Oe + 0,12 x P, Pw étant la pression partielle de la vapeur d'eau en mmHg (lmmHg c133 Pa). 3 ) Appareil selon la revendication 2, carac- térisé en ce que Pw = R * Ps, H étant l'humidité relative en % et étant mesuré par le capteur R d'humidité et Ps étant la pression partielle de l'eau, en mmHg, pour la saturation totale à la température T. ) Appareil selon la revendication 3, carac- térisé en ce que Ps 10 + [(8,1076 - 1750,3/(235 + T)] Hp étant l'humidité relative en en et étant mesuré par le capteur d'humidité et T étant la température en OC et étant mesuré par le capteur de température. ) Dispositif selon la revendication], carac- térisé en ce qu'un convertisseur d'intensité de courant en ten- sion et un préamplificateur sont connectés électriquement au cap- teur de photo-ionisation et au microcalculateur, entre ceux- ci. )Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le microcalculateur comporte une touche de com- binaison qui permet, soit au sional compensé d'arriver au dis- positif d'affichage, soit à un sional non compensé d'arriver au dispositif d'affichage, et une touche de fonction comportant au moins une gamme pour l'examen d'une certaine concentration d'un contaminant. ) Dispositif selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le microcalculateur appliaue le facteur de cor- rection au signal du capteur de photo-ionisation, par multipli- cation de celui-ci par le facteur de correction. 80) Procédé pour la mise en oeuvre du dispositi pour la compensation de la sensibilité négative, due à l'humidité d'un dispositif de photoionisation, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: - détection, au moyen d'un capteur de photn-ionisation, de la concentration de contaminants dans l'atmosphère environnante; - détection de l'humidité et de la température dans l'atmosphère environnante - calcul de l'humidité absolue de l'atmosphère environ- nante; - détermination d'un facteur de correction correspondant à l'humidité absolue calculée, pour compenser la sensibilité né- gative du capteur de photo-ionisation: et - d'application du facteur de correction à la concen- tration détectée de contaminants, pour l'obtention d'une valeur exacte de la concentration des contaminants. 9 ) Procédé selon la revendication R, carac- térisé en ce que le facteur de correction est],Oe + 0,12 x P Pw étant la pression partielle de la vapeur d'eau en mmHq. ) Procédé selon la revendication 9, carac- térisé en ce que Pw = R x Ps, ]00 HR étant l'humidité relative en S et étant déterminé dans l'étape de détection de l'humidité et Ps étant la pression partielle de l'eau, en mmHq, pour la saturation totale à la température T. ) Procédé selon la revendication 10, carac- térisé en ce que Ps 10 + L8,1076 - 1750,3/!235 + T)^ de sorte que de = sr quPHR* (]+ L8,]076 - 1750,3/(235 + Ti HR étant l'humidité relative en %, et T étant la température en oC, HR et T étant déterminés dans l'étape de détermination de l'humidité et de la température. 320) Procédé selon la revendication 8, carac- térisé en ce que l'étape d'application comprend l'étape de mul- tiplication, par le facteur de correction, de la concentration détectée. ) Procédé selon la revendication 9, carac- térisé en ce que l'étape de présentation des résultats comprend l'étape d'affichage de la valeur exacte de la concentration de contaminants.