Brevet FR2624606A1 — publié le 19890616

i La présente invention concerne la technologie des appareils de mesure et de contrôle optiques eta notammentpour objet un analyseur corrélationnel de gaz. L'invention peut être utilisée dans l'industrie chimique pour les analyses de la composition de mélanges gazeux à nombreux composants, en micro-électronique pour le contrôle de la composition en gaz de l'-air des locaux industriels, en métallurgie et d'autres secteurs industriels. Son application sera d'une grande efficacité dans la protection de l'environnement en ce qui concerne le contrôle de la pollution de l'atmosphère par des gaz tels oue S02, NO2, NO, NH3, etc. A l!'heure actuelle, la plupart des analyseurs de gaz de haute sélectivité se basentsur la méthode de spectroscopie corrélationnelle utilisant les caractéristiques spécifiques des gaz à analyser (par exemple, la structure quasi périodique de spectres d'absorption ou de transmission) pour en évaluer la - concentration. Ces analyseurs doivent permettre l'analyse de plusieurs composants du gaz à analyser avec une faible erreur de mesure, sans que leur mode de réalisation s'en trouve notablement compliqué, et un passage facile à la mesure de la teneur en un autre gaz du mélange. On connait un analyseur corrélationnel de gaz ("Spectroscopie infrarouge appliquée", sous la rédaction de D. Kendall, 1970, Editions "Mir", Moscou) comprenant une source de radiation lumineuse et, disposés successivement dans le sens de cette radiation lumineuse, un filtre optique interférentiel servant à séparer la bande spectrale imposée du gaz à analyser, un modulateur, deux cuvettes dont l'une est remplie de gaz à analyser et l'autre, d'un gaz qui n'absorbe pas la radiation dans la bande spectrale donnée de gaz à analyser, un photo- récepteur et un enregistreur. - 2 2624606 La cuvette remplie de gaz à analyser est traversée par la radiation en dehors des raies du gaz à analyser, alors que l'autre l'est dans toute la bande spectrale du gaz à analyser. Le photorécepteur élabore un signal proportionnel à l'atténuation de la radiation par son absorption dans les raies du gaz à analyser et c'est d'après cette atténuation qu'on juge de la présence et de la concentration du gaz à analyser placé sur le trajet de la radiation entre la source et le photorécepteur. L'analyseur corrélationnel de gaz connu est caractérisé par une précision peu élevée et une mauvaise reproductibilité des résultats de mesure du fait de l'absorption du gaz à analyser et des fuites du gaz enfermé dans la cuvette. Lorsque les gaz étudiés sont corrosifs (tels que H2S ou S02) ou instables (par exemple N02), l'utilisation d'un tel analyseur de gaz est compliquée et n'est possible qu'en remplissant des conditions spécifiques (température et humidité constantes). On connait un autre analyseur corrélationnel de gaz (Bull. inform. sci. et techn., 230/231, 1978, R. Haulet, C. Vavasseur, "Télédétection des polluants gazeux de l'atmosphère", page 59) comprenant une source de radiation lumineuse dont la radiation traverse le gaz à analyser à structure quasi périodique de la bande spectrale inmposée, et un système optique comprenant, disposés successivement dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un élément dispersif et un diaphragme de sortie à fente monté de manière à pouvoir tourner et réalisé sous la. forme d'un disque percé d'une fente pour le balayage de la bande spectrale examirée du gaz à analyser sur le photorécepteur, dont la sortie est reliée à l'entrée d'un amplificateur de signaux électriques dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enregistreur. 3 *2624606 Dans l'analyseur corrélationnel de gaz connu, on utilise un réseau de diffraction concave en tant ou'élément dispersif, alors que les fentes pratiquées dans le disque sont en arc et disposées de manière à ce qu'elles coincident avec la position des maxima et des minima du spectre d'absorption du gaz à analyser dans le plan focal du réseau de diffraction concave. La radiation lumineuse traversant le gaz à analyser est décomposée en spectre par le réseau de diffraction concave et passe ensuite par les fentes du disque tournant. Il en résulte un balayage discontinu de la bande spectrale prévue du gaz à analyser sur le photorécepteur. Le taux de modulation de la radiation lumineuse est proportionnel à la différence des intensités des tranches de transmission et d'absorption correspondantes dans la bande spectrale du gaz à analyser et dépend de la teneur du volume étudié en gaz à analyser. Le système optique de cet analyseur de gaz est compliqué du point de vue de sa fabrication et de l'ajustage du disque dont les fentes doivent exactement correspondre aux maxima et aux minima du spectre d'absorption du gaz à analyser, ce qui affecte considérablement la précision des mesures et conduit à une mauvaise reproductibilité des résultats. Lorsqu'on passe à l'étude d'un autre composant gazeux d'un mélange gazeux multicomposant, il faut utiliser un autre disque doté de fentes appropriées et procéder à l'ajustage de ce disque dans le système optique. On s'est donc proposé de créer un analyseur corrélationnel de gaz dans lequel, grace à la configuration de la fente du disque, à l'utilisation d'un amplificateur de signaux électriques et de blocs 4 2624606 électriques supplémentaires, il serait possible d'analyser des mélanges gazeux multicomposants sans qu'il soit nécessaire de changer le disque du système optique. Le but visé est atteint grâce au fait que, dans l'analyseur de gaz corrélationnel comprenant une source de radiation lumineuse dont la radiation traverse le gaz à analyser d'une structure quasi périodique de la bande spectrale imposée, et un système optique comprenant, successivement dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un élément dispersif et un diaphragme de sortie à fente, monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation et ayant la forme d'un disque percé d'une fente pour le balayage de la bande spectrale imposée du gaz à analyser sur le photorécepteur, dont la sortie est reliée à l'entrée d'un amplificateur de signaux électriques dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enregistreur, selon l'invention, la fente pratiquée dans le disque est réalisée en spirale d'Archimède dont le centre se trouve au centre du disque et dont le pas est sensiblement égal, dans le plan de balayage, à la longueur de balayage de la bande spectrale imposée du gaz à analyser ayant une structure quasi périodique, et on prévoit un amplificateur supplémentaire de signaux électriques dont l'entrée est reliée à la sortie du photorécepteur, et un bloc correcteur dont les entrées sont branchés sur les sorties de l'amplificateur principal et de l'amplificateur supplémentaire de signaux électriques, alors que sa sortie est reliée à l'entrée de l'enregistreur, et que l'amplificateur principal de signaux électriques est du type à résonance dont la fréquence résonnante est déterminée par la vitesse de rotation du disque et par le nombre de maxima et de minima dans la bande spectrale imposée du gaz à analyser ayant une structure quasi périodique. Il est préférable que la fréquence résonnante de l'amplificateur principal à résonance soit déterminée par la relation: fl = N, g A o o *, est la bande spectrale imposée du gaz à analyser ayant une structure quasi périodique; période de la structure de la bande spectrale imposée du gaz à analyser S N = vitesse de rotation du disque. Il est avantageux que l'amplificateur supplémentaire de signaux électriques soit également du type à résonance et ait une autre fréquence résonnante, déterminée par la vitesse de rotation du disque. L'analyseur corrélationnel de gaz selon l'invention permet d'étudier les composants gazeux des mélanges gazeux multicomposants sans qu'il soit nécessaire de remplacer le disque du système optique, ce qui réduit nettement les erreurs de mesure provenant de l'imprécision d'ajustage de ce disque. L'exécution d'une fente en spirale d'Archimède dans le disque ne présente pas de difficulté du point de vue technologique et est adaptée aux conditions de fabrication en série, car elle est programmable suivant la formule connue pour les machines-outils à commande numérique. Le fait que le circuit électrique de l'analyseur corrélationnel de gaz utilise deux amplificateurs à résonance et un bloc correcteur permet de réduire considérablement l'interférence de différentes perturbations et donc de réduire les erreurs de mesure. 6 cov2624606 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure i représente schématiquement l'analyseur corrélationnel de gaz avec son système optique, en coupe, selon l'invention; - la figure 2 repréente le disque percé d'une fente en spirale d'Archimède et des spectres de transmission pour NH3 et S02 coïncidant avec la position de la fente. L'analyseur corrélationnel de gaz selon l'invention comprend une source 1 (figure 1) de radiation lumineuse qui peut être une source de radiation lumineuse artificielle ou naturelle (Lune ou Soleil), et un système optique 2. Entre la source 1 de radiation lumineuse et le système optique 2, on place le gaz à analyser 3 à structure quasi-périodique de la bande spectrale imposée, ce gaz étant contenu dans l'atmosphère ou enfermé dans une cuvette spéciale. Selon le mode de réalisation décrit, le système optique 2 comprend, disposés successivement dans le sens de la radiation lumineuse, un paresoleil 4 servant à empêcher la pénétration de la lumière diffuse, un condensateur 5 réalisé sous la forme d'une lentille biconvexe et focalisant la radiation lumineuse sur le diaphragme d'entrée à fente 6, un élément dispersif 7 réalisé sous la forme d'un réseau de diffraction concave (appelé réseau de diffraction 7 dans le texte qui suit) et un diaphragme de sortie à fente 8 monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation. Selon le mode de réalisation décrit, le diaphragme de sortie à fente 8 a la forme d'un disque (disque 8 dans le texte qui suit) percé d'une fente 9 en spirale d'Archimède et est entraîné en rotation par un moteur électrique 10. Derrière le diaphragme de sortie à fente 8 est placé un 262-4606 photorécepteur 11, dont la sortie est reliée à l'entrée. d'un préamplificateur 12 de signaux électriques, dont la sortie est branchée sur les sorties d'amplificateurs 13, 14 de signaux électriques. L'amplificateur 13 de signaux électriques est du type à résonance et sert à séparer la fréquence résonnante f déterminée par la relation f1= fl = N. ou A est la bande spectrale imposée du gaz à analyser 3 à structure quasi périodique; = période de la structure de la bande spectrale imposée du gaz à analyser 3; N =-vitesse de rotation du disque 8; L'arnplificateur 14 de signaux électriques est également du type à résonance à une autre fréquence résonnante f2 déterminée par la vitesse de rotation N du disque 8 et sert à compenser l'instabilité du signal de sortie de l'amplificateur à résonance 13, provoquée par les variations de l'intensité de la radiation lumineuse. Selon un autre mode de réalisation, l'amplificateur 14 peut être du type à courant continu. Les sorties des amplificateurs 13 et 14 de signaux électriques sont reliées aux entrées d'un bloc correcteur , dont la sortie est branchée sur un enregistreur 16 gradué en unités de concentration du gaz à analyser 3. La figure 2 représente le disque 8 percé d'une fente 9 en spirale d'Archimède, dont le centre se trouve au centre du disque 8 et dont le pas 1 est sensiblement égal à la longueur de balayage de la bande spectrale prévue a du gaz à analyser 3 ayant une structure quasi périodique, dans le plan focal du réseau de diffraction concave 7 (figure 1) servant de plan de balayage selon le mode de réalisation décrit. Pour plus de clarté de la représentation, les tranches étudiées des.spectres de transmission pour NH3 et S02 (figure 2, courbes a, b) coincident sur le dessin avec la position de la fente 9 du disque 8. Sur l'axe des abscisses est marquée la longueur d'onde a du spectre des gaz à analyser 3, en nm, et sur l'axe des ordonnées, la valeur de la transmission T en unités relatives; pour plus de clarté de la représentation les spectres pour NH3 et S02 sont décalés l'un par rapport à l'autre suivant l'axe des ordonnées. Le fonctionnement de l'analyseur corrélationnel de gaz selon l'invention est le suivant. La radiation lumineuse de la source 1 (figure 1) de radiation lumineuse traverse le gaz à analyser 3 et son spectre acquiert une structure quasi périodique caractéristique dans la bande spectrale étudiée comme l'indique la figure 2. La radiation lumineuse passe ensuite par le pare- soleil 4 (figure 1) destiné à protéger le système contre la radiation lumineuse diffuse et est focalisée par le condensateur 5 sur le diaphragme d'entrée 6 à fente. Après avoir traversé celui-ci, la radiation lumineuse frappe le réseau de diffraction concave 7 qui disperse la radiation lumineuse dans la bande spectrale étudiée a (figure 2) du gaz à analyser 3 (figure 1), cette radiation étant focalisée dans le plan focal du réseau de diffraction concave 7. Le disque tournant 8 percé de la fente 9 en spirale d'Archimède et disposé dans ledit plan focal effectue le balayage temporel continu de la bande spectrale étudiée & k (figure 2) du gaz à analyser 3 sur le photorécepteur 11 qui transforme la radiation lumineuse en un signal électrique appliqué à l'entrée du préamplificateur 12. Le signal amplifié arrive aux entrées des amplificateurs 13, 14 de signaux électriques, dont le premier sépare et amplifie le signal à la fréquence fi, en supprimant les g9 2624606 signaux à toutes les autres fréquences. Pour les spectres de transmission pour NH3 (courbe a) et S02 (courbe b) représentés sur la figure 2, la bande spectrale étudiée.? à structure quasi périodique est de 200 à 215,5 nm et.la période de la structure quasi périodique, de 3,8 nm et 1,6 nm, respectivement. Pour une vitess N de rotation du discue 8 de 60 t/s, la fréquence résonnante fl est de 240 Hz pour NH3 et de 600 Hz pour SO2. Donc, lorsqu'il s'agit d'analyser la concentration de NH3, l'amplificateur à résonance 13 est réglé à la fréquence de 240 Hz, alors que pour analyser SO2, on le règle à la fréquence de 600 Hz. L'amplitude du signal séparé correspond à la concentration du gaz à analyser S. L'autre amplificateur 14, s'il est du type à résonance, sépare le signal à la fréquence f2 caractérisant le processus de balayage et ne dépendant oas des caractéristiques spectrales du gaz à analyser 3, et supprime les signaux à d'autres fréquences, provoqués par différentes perturbations. Les signaux de sortie des amplificateurs 13, 14 sont appliqués aux entrées du bloc correcteur 15, o l'amplitude du signal à la fréquence f est réduite à l'amplitude du signal à la fréquence f2. C'est ainsi que se produit la compensation des variations de l'amplitude du signal à la fréquence fl, provoquées par les variations de l'intensité de la radiation lumineUse par suite d'une absorption non sélective sur le trajet de la radiation lumineuse, ainsi que par suite des variations des paramètres de la source 1 de radiation lumineuse, ce qui améliore la précision de mesure. Le signal à fréquence réduite délivré par le bloc correcteur est appliqué à l'entrée de l'enregistreur 16 qui indique la concentration du gaz à analyser 3 sous forme numérique ou analogique. 2624606 Dans le cas o le système optique 2 est placé dans une même enceinte que la source 1 de radiation lumineuse, de sorte que toute la chatne optique est protégée contre les radiations extérieures étrangères, il est préférable que l'amplificateur 14 de signaux électriques soit du type à courant continu. Dans ce cas, dans le bloc correcteur 1.5 se produit la réduction de l'amplitude du signal à la fréquence fl à la seule composante continue du signal. Pour le reste, l'enregistrement du signal s'effectue comme dans le cas précédent. Pour passer à la mesure de la concentration d'un autre composant gazeux d'un mélange gazeux multicomposant, il suffit de régler l'amplificateur à résonance 13 à la fréquence résonnante f1 correspondant aux caractéristiques spectrales t, -S 1 du gaz à analyser 3. On n'a pas besoin pour cela de remplacer le disque 8 ni de réajuster le système optique 2, ce qui améliore la précision de mesure. Ainsi donc, l'analyseur corrélationnel de gaz selon l'invention est caractérisé par sa facilité de fabbrication, d'ajustage du système optique et d'entretien. REVENDICATIONS 1. Analyseur corrélationnel de gaz comprenant une source de radiation lumineuse, dont la radiation lumineuse traverse le gaz à analyser à structure quasi périodique de la bande spectrale étudiée I, et un système optique comprenant, en succession dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un élément dispersif et un diaphragme de sortie à fente monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation et percé d'une fente pour le balayage de la bande spectrale étudiée 4 du gaz à analyser sur un photorécepteur, dont la sortie est reliée à l'entrée d'un amplificateur de signaux-électriques, dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enregistreur, caractérisé en ce que la fente (9) pratiquée dans le disque est en spirale d'Archimède dont le centre se trouve au centre du disque et dont le pas (1) est sensiblement égal à la longueur de balayage de la bande spectrale étudiée AX du gaz à analyser (3)- ayant une structure quasi périodique, dans le plan de balayage, et en ce qu'on prévoit un amplificateur supplémentaire (14) de signaux électriques dont l'entrée est branchée sur la sortie du photorécepteur (11), et un bloc correcteur (15) dont les entrées sont reliées aux sorties de l'amplificateur principal (13) et de l'amplificateur supplémentaire (14) de signaux électriques, alors que sa sortie est branchée sur l'entrée de l'enregistreur (16), l'amplificateur principal (13) de signaux électriques étant du type à résonance à une fréquence résonnante (fl) déterminée par la vitesse (N) de rotation du disque et par le nombre de maxima ou de' minima dans la bande spectrale étudiée 4A du gaz à analyseur ayant une structure. quasi périodique. 2. Analyseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence résonnante (f1) de l'amplificateur principal à résonance (13) est déterminée par la relation La = f------- N, o A est la bande spectrale étudiée du gaz à analyser (3) ayant une structure quasi périodique; a= période de la structure de la bande spectrale imposée du gaz à analyser (3); N = vitesse de rotation du disque. 3. Analyseur de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur supplémentaire (14) de signal électrique est du type à résonance à une autre fréquence résonnante (f2), déterminée par la vitesse (N) de rotation du disque.