Brevet FR2625318A1 — publié le 19890630

Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux ou à l'état de vapeur d'un mélange fluide La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux ou à l'état de vapeur d'un mélange fluide par absorption de lumière, et notamment par absorption de lumière infrarouge, en utilisant une membrane sélectivement perméable aux particules des composants à mesurer, transparente au rayonnement de mesure, agisssant sur la marche des rayons entre la source lumineuse et le détecteur, et réalisée en un matériau dans lequel s'enrichit le composant à mesurer du mélange fluide. Pour les applications techniques les plus diverses, par exemple pour la surveillance des lieux de travail (lavage avec des solvants, nettoyage chimique, salle d'opérations, mais aussi pour le contrôle de processus (installations chimiques, mesure du gaz respiratoire), il est nécessaire de mesurer, et éventuellement de contrôler, la concentration de composants gazeux ou à l'état de vapeur d'un mélange fluide constitué de plusieurs gaz ou encore de plusieurs gaz et de vapeurs ou exclusivement de vapeurs. La demande de brevet allemand DE-33 44 019 décrit un dispositif pour la mesure optique de concentrations de substances dans des mélanges fluides. En vue de la mesure optique de concentrations de substances dans la plage infrarouge, ce dispositif prévoit une chambre de mesure réalisée en un matériau sélectivement perméable aux particules à mesurer, réagissant aux particules et transparent au rayonnement de mesure, laquelle chambre est reliée opérationnement à l'objet de mesure et est traversée par le rayonnement de mesure. Dans le même temps, il est prévu que les particules à mesurer s'enrichissent dans la membrane. L'avantage de ce dispositif est vu en ceci que la sélectivité et la sensibilité de la mesure sont accrues par l'enrichissement des particules à mesurer dans la membrane, cet enrichissement s'accompagnant de la séparation d'autres particules qui ne sont pas à mesurer mais qui peuvent être perturbatrices. En partant de ce dispositif connu, la présente invention a pour but de fournir un dispositif pour la mesure de la concentration de composants gazeux ou à l'état de vapeur d'un mélange fluide, avec une sensibilité accrue aux composants à mesurer. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que la membrane est disposée dans le trajet d'écoulement du mélange fluide de telle sorte que le trajet d'écoulement est divisé en deux sections partielles sur les surfaces de la membrane. Par une telle configuration, l'action des particules à déceler pour un même temps d'action est accrue, et la sensibilité de décèlement augmente. Par l'enrichissement ainsi accru des composants gazeux ou à l'état de vapeur du mélange fluide, les nombreux composants faibles des bandes du mélange qui apparaissent dans une large plage sont fondus en une forte bande étroite, ce pour le même coefficient d'extinction intégrale. Le risque de chevauchement par des bandes perturbatrices d'autres composants du fluide est ainsi réduit. Suite à l'enrichissement accru et à la concentration des bandes, la longueur du chemin optique nécessaire peut être nettement réduite par rapport aux trajets infrarouge précédemment connus. Ce faisant, les bandes d'absorption perturbatrices apparaissent également moins fortement (par exemple les bandes de l'H20 dans la plage des absorptions de groupes carbonyle. Comme l'enrichissement de la membrane a lieu sélectivement, la sensibilité croisée vis-à-vis des composants qui ne doivent pas être enrichis est dans le même temps plus faible. Selon une configuration supplémentaire opportune, il peut être prévu que la membrane soit disposée mobile par rapport à la source lumineuse et au détecteur. Ce faisant, selon les substances souhaitées pour l'enrichissement, la membrane peut être réalisée en différents matériaux et sous des formes différentes. Une configuration en disque circulaire apparaît entre autres opportune, ainsi que l'utilisation de la membrane sous la forme d'une bande sans fin ou d'une bande rebobinable. Afin de réaliser une mesure comparative en vue d'éliminer les dérives dans la source lumineuse et le détecteur, par exemple par formation de quotients des signaux de mesure, il apparaît opportun d'intercaler dans la membrane des segments non transparents, de sorte que l'indication de zéro peut être à.chaque fois établie et éventuellement corrigée par un montage de régulation électronique en soi connu. La membrane peut en outre opportunément présenter des segments d'épaisseurs différentes. En utilisant une membrane mobile par rapport à la source lumineuse et au détecteur, on obtient l'avantage qu'à des fins d'étalonnage ou pour supprimer la dérive du capteur ou détecteur, on n'a pas besoin de faisceau de référence ou d'une cuvette de référence, comme c'est le cas pour les spectromètres connus à double faisceau. Lors de la rotation d'une membrane en disque ou lors de l'avance d'une membrane en bande, il suffit de permuter des segments de membrane d'épaisseurs différentes. Cela permet d'éliminer tous les effets de mesure perturbateurs, qui ne sont pas associés à la réception dans la membrane des particules à déceler. Ces effets comprennent entre autres les dérives du capteur et du détecteur, ainsi que les propriétés de la surface de la membrane et aussi les encrassements superficiels. Selon une autre configuration également avantageuse, qui augmente la sélectivité, il peut être prévu que la membrane présente des segments pour des composants d'enrichissement différents. La membrane peut alors être réalisée sous la forme de disques à secteurs ou de disques perforés. Le matériau de la membrane peut être éventuellement disposé dans un cadre métallique, si l'on ne dispose pas d'une solidité suffisante pour une construction en disque autoporteuse. Le mouvement de la membrane en forme de disque peut s'effectuer en rotation dans une direction ou en balancement dans une plage angulaire déterminée. On peut en outre imaginer de disposer la membrane dans un cadre en forme d'anneau de cercle sans axe central, et de prévoir que ce cadre soit mobile, par exemple par des rouleaux de soutien et d'entraînement appliqués périphériquement. Un dispositif avantageux peut être construit de telle sorte que la source lumineuse est disposée sur l'un des côtés d'une chambre d'écoulement recevant la membrane, et que le détecteur est prévu sur l'autre côté de la chambre d'écoulement, la membrane étant disposée dans la chambre d'écoulement parallèlement au sens d'écoulement principal et sensiblement perpendiculairement à la marche des rayons entre la source lumineuse et le détecteur. L'agencement peut être opportunément prévu de façon que le rayonnement lumineux soit dirigé sensiblement parallèlement dans la chambre d'écoulement. Selon une configuration supplémentaire de l'invention, il peut à cet effet être prévu que la source lumineuse soit placée au foyer d'un premier miroir -parabolique, sphérique ou elliptique) dont la marche des rayons est dirigée par un côté sur la chambre d'écoulement, et qu'un deuxième miroir de même type, orienté d'une manière correspondante au premier miroir, soit disposé sur l'autre côté de la chambre d'écoulement, le foyer de ce deuxième miroir recevant le détecteur. La chambre d'écoulement est alors constituée de deux fentes d'écoulement disposées respectivement de chaque côté de la membrane, et par rapport auxquelles la membrane est disposée symétriquement. Mais une autre configuration supplémentaire avantageuse peut aussi consister en ceci que la source lumineuse est disposée devant une première lentille qui transforme le rayonnement partant de la source lumineuse en un faisceau de rayons parallèles traversant la chambre d'écoulement, et qu'une deuxième lentille est disposée du côté du détecteur, laquelle réunit le faisceau de rayons parallèles sortant de la chambre d'écoulement en un foyer qui reçoit le détecteur. A la place de lentilles individuelles, on peut également utiliser des systèmes de lentilles respectifs ayant une action correspondante. La source lumineuse et le détecteur peuvent être opportunément disposés dans des chambres fermées à atmosphère protégée, ces chambres consistant éventuellement en des pièces moulées réfléchissantes qui sont fermées du côté de la souce lumineuse par un filtre optique et du côté du détecteur par une fenêtre perméable au rayonnement infrarouge. Une autre configuration éventuellement opportune peut prévoir qu'une surface réfléchissante soit disposée sur un côté de la membrane, et que la source lumineuse et le détecteur se trouvent sur le même côté de la membrane. Un avantage supplémentaire peut être éventuellement obtenu en prévoyant un dispositif pour introduire du gaz de référence dans la chambre d'écoulement. Comme exemple de matériau de membrane avantageux, il est indiqué que la membrane destinée à mesurer la concentration en sulfure de carbone est réalisée en caoutchouc au silicone. L'invention va être maintenant décrite plus en détails à l'aide d'exemples de réalisation représentés schématiquement sur le dessin annexé, dans lequel: Figure l est une vue en coupe tranversale d'un dispositif de mesure à membrane stationnaire Figure 2 représente une autre configuration possible, avec une membrane en forme de disque circulaire; Figure 3 représente une forme de réalisation correspondant à la figure 2, avec entraînement par le bord de la membrane en forme de disque circulaire; Figure 4 est une vue de dessus d'une membrane en forme de disque à utiliser dans un dispositif de mesure selon la figure 2 ou 3, avec des zones sectorielles; Figure 5 représente un dispositif de mesure selon la figure 1, avec une membrane configurée en bande rebobinable; et Figure 6 représente un autre mode de réalisation possible, avec un disque porteur réfléchissant. Selon la figure 1, une source lumineuse 2, qui est réalisée de préférence sous la forme d'un émetteur de rayonnement infrarouge de construction connue, est disposée dans un premier miroir parabolique 1. L'espace délimité par le premier miroir parabolique 1 est limité par un filtre optique 3, de sorte qu'on obtient une chambre fermée qui peut être éventuellement remplie de gaz protecteur. Sur le côté de réception se trouve un détecteur de rayonnement infrarouge 4 qui est placé au foyer d'un deuxième miroir parabolique 5, lequel forme conjointement avec une fenêtre 6 perméable au rayonnement infrarouge une chambre également fermée et éventuellement remplie d'un gaz protecteur, tel par exemple que de l'azote. Comme détecteur 4, on peut utiliser par exemple une résistance photo-électrique ou un capteur pyro-électrique ou encore un thermocouple. Le trajet d'écoulement, dans lequel se trouve une membrane 7 configurée pour l'enrichissement du composant à mesurer, est formé des deux côtés de la membrane par des fentes d'écoulement 8, 9. L'épaisseur de ces fentes d'écoulement ainsi que l'épaisseur de la membrane sont généralement inférieures à I mm. L'écoulement du mélange fluide est matérialisé par des flèches décalées. Dans le mode de réalisation représenté, la membrane 7 peut être réalisée sous la forme d'une pièce emboîtable, qui peut être fixée dans une monture correspondante, et déposée de cette dernière. Lors de l'utilisation du dispositif de mesure, la source lumineuse 2 émet un rayonnement lumineux correspondant, contenant la part de lumière infrarouge souhaitée, que le premier miroir parabolique 1 renvoie, pour l'essentiel en un faisceau de rayons parallèles, à travers le filtre optique 3. Ce rayonnement infrarouge traverse la chambre d'écoulement formée par les fentes 8, 9 ainsi que la membrane 7, et il atteint par l'intermédiaire de la fenêtre 6, perméable au rayonnement infrarouge, la surface intérieure du deuxième miroir parabolique 5. Le rayonnement lumineux est alors concentré sur le détecteur 4 disposé au foyer de ce miroir. En matière de connexions, la structure du dispositif de mesure correspond aux configurations connues. La figure 2 représente une membrane 10 en forme de disque circulaire, qui peut être entraînée par un moteur d'entraînement électrique Il. Le rayonnement lumineux entre le premier miroir I côté émission et le deuxième miroir 5 côté réception traverse une zone annulaire de la membrane en forme de disque 10. La forme de réalisation selon la figure 3 correspond en ce qui concerne la structure optique au mode de réalisation selon la figure 2; toutefois, une membrane en forme de disque 12, qui s'appuie sur des rouleaux 13 périphériquement répartis, est ici entraînée par un rouleau périphérique similaire 14. Ceci permet d'éviter l'emploi d'un axe médian solide. La vue de dessus selon la figure 4 représente une membrane en forme de disque 15 qui présente des segments sectoriels 16 en matériau de membrane et des segments intermédiaires 17 non perméables à la lumière. Selon la vitesse de rotation choisie pour la membrane en forme de disque 15, on peut ainsi produire des signaux de mesure et des signaux de correction pour compenser les phénomènes de dérive en une fréquence de succession favorable pour le traitement ultérieur des signaux. La figure 5 représente un mode de réalisation avec une membrane en forme de bande 18, qui peut soit, selon une configuration non réversible, être déroulée d'un côté, soit, selon une configuration réversible, être déroulée et rebobinée entre les deux rouleaux 19, 20. Enfin, la figure 6 représente un disque porteur 21 qui présente un revêtement de surface réfléchissant 22. Au-dessus de ce revêtement superficiel réfléchissant 22 se trouve une membrane- 23 en forme de disque circulaire. Les premier et deuxième miroirs 1, 5 se trouvent du même côté de la membrane 23. Le disque porteur 21 est configuré adéquatement perméable, par exemple perforé, pour former des fentes d'écoulement respectives de chaque côté de la membrane 23. Au lieu des miroirs paraboliques à symétrie de révolution à chaque fois représentés, on peut aussi n'utiliser éventuellement que des demi-miroirs sur la ligne de jonction entre la source lumineuse 2 et le détecteur 4. Dans la forme de réalisation selon la figure 4, les segments sectoriels 16 peuvent être prévus avec des épaisseurs différentes et/ou pour des composants à enrichir différents. Quoique dans de nombreux cas, la source de lumière et le détecteur sont disposés de façon appropriée, de telle sorte que le chemin des rayons et, par suite, l'emplacement de mesure optique se trouvent dans le trajet d'écoulement du mélange fluide, il peut être avantageux dans certaines applications déterminées de disposer l'emplacement de mesure optique en dehors de la zone d'action du mélange fluide. De ce fait, existe la possibilité de charger tout d'abord la membrane en dehors du chemin des rayons par immersion dans un mélange fluide liquide, ou par soufflage d'un mélange fluide gazeux et ensuite de mesurer, après raclage d'un surplus éventuel de la charge, dans des conditions contrôlées. 2 6 2 5 3 1 8 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux ou à l'état de vapeur d'un mélange fluide par absorption de lumière, et notamment par absorption de lumière infrarouge, en utilisant une membrane sélectivement perméable aux particules des composants à mesurer, transparente au rayonnement de mesure, agisssant sur la marche des rayons entre la source lumineuse et le détecteur, et réalisée en un matériau dans lequel s'enrichit le composant à mesurer du mélange fluide, c a r a c t é r i s é en ce que la membrane (7; 10; 12, 16; 18; 23) est disposée dans le trajet d'écoulement du mélange fluide de telle sorte que le trajet d'écoulement est divisé en deux sections partielles sur les surfaces de la membrane (7; 10; 12, 16; 18; 23). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est disposée mobile pa rapport à la source lumineuse (2) et au détecteur (4). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est configurée en disque circulaire (10; 12; 23). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est configurée en bande sans fin. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane est configurée en bande enroulable ou encore rebobinable (18). 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que des segments non transparents (17) sont intercalés dans la membrane (16). 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane présente des segments d'épaisseurs différentes. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane présente des segments pour des composants d'enrichissement différents. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) est disposé sur l'un des côtés d'une chambre d'écoulement (8, 9) recevant la membrane (7), et en ce que le détecteur (4) est prévu sur l'autre côté de la chambre d'écoulement (8, 9), la membrane (7) étant disposée dans la chambre d'écoulement (8, 9) parallèlement au sens d'écoulement principal et sensiblement perpendiculairement à la marche des rayons entre la source lumineuse (2) et le détecteur (4). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rayonnement lumineux est dirigé sensiblement parallèlement dans la chambre 26 25 3 1 8 d'écoulement (8, 9). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) est placée au foyer d'un premier miroir (1) dont la marche des rayons est dirigée par un côté sur la chambre d'écoulement (8, 9), et en ce qu'un deuxième miroir (5), orienté d'une manière correspondante au premier miroir (1), est disposé sur l'autre côté de la chambre d'écoulement (8, 9), le foyer de ce deuxième miroir recevant le détecteur (4). 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) est disposée devant une première lentille qui transforme le rayonnement partant de la source lumineuse (2) en un faisceau de rayons parallèles traversant la chambre d'écoulement (8, 9), et en ce qu'une deuxième lentille est disposée du côté du détecteur (4), laquelle réunit le faisceau de rayons parallèles sortant de la chambre d'écoulement (8, 9) en un foyer qui reçoit le détecteur (4). 13. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) et le détecteur (4) sont disposés dans des chambres fermées à atmosphère protégée. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une surface réfléchissante (22) est disposée sur un côté de la membrane (23), et en ce que la source lumineuse (2) et le détecteur (4) se trouvent sur le même côté de la membrane (23). 15. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif pour introduire du gaz de référence dans la chambre d'écoulement. 16. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane, pour mesurer la concentration en sulfure de carbone, est réalisée en caoutchouc au silicone. 17. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'emplace- ment de mesure optique est situé en dehors du trajet d'écoulement du mélange fluide.