Brevet FR2624607A1 — publié le 19890616

Cov2624607 La présente invention concerne des appareils opti- ques de mesure et de contrôle et a notamment pour objet un analyseur correlationnel de gaz. L'invention peut être utilisée dans l'industrie chimique pour l'analyse de la composition de mélanges gazeux multicomposants, en mièro-électronique pour le con- trôle de la composition en gaz de l'air d'une zone de pro- duction, en métallurgie et autres secteurs industriels. Son utilisation sera très efficace dans la protection de- l'environnement pour le contrôle de la pollution de l'at- mosphère par des gaz tels que S.02, NO2, NO, NH3 et autres. A l'heure actuelle, la plupart des analyseurs de gaz de haute sélectivité se basent sur la méthode de la spectroscopie corrélationnelle utilisant la -nature carac-- téristique des spectres des gaz à analyser (par exemple, la structure quasi périodique des spectres d'absorption ou de transmission),. pour en déterminer la concentration. Les analyseurs de gaz de ce type doivent assurer la pos- sibilité d'une analyse multicomposant d'un gaz étudié avec une faible erreur de mesure, sans que leur construc- tion s'en trouve notablement compliquée et sont caracté- risés par la facilité du passage à la mesure de la te- neur en un autre gaz du mélange. On connaît un analyseur correlationnel de gaz ("Spectroscopie infrarouge appliquée", sous la rédaction de D. Kendall, 1970, Editions "Mir", Moscou) :comprenant une source de radiation lumineuse et, disposés l'un après l'autre dans le sens de cette radiation lumineuse, un fil- tre interférentiel pour la séparation de la bande spec- trale imposée du gaz à étudier, un modulateur, deux cuvet- tes dont l'un est remplie du gaz à analyser et l'autre, d'un gaz qui n'absorbe pas la radiation dans la bande spec- trale examinée du gaz à analyser, un photorécepteur et un enregistreur. La cuvette remplie du gaz à analyser est traversée par la radiation en dehors -des raies d'absorption du gaz à analyser, alors que l'autre cuvette l'est dans toute la bande spectrale du gaz à analyser. Le photorécepteur élabore un signal correspondant à l'atténuation de la radiation par suite de l'absorption dans les raies du gaz à analyser et c'est d'après ce signal qu'on juge de la présence et de la concentration du gaz à analyser placé entre la source de radiation lumineuse et le photo- récepteur. L'analyseur corrélationnel de gaz connu est carac- lO térisé par une faible précision et une mauvaise reproduc- tibilité des résultats de mesure du fait de l'absorption du gaz à analyser et des fuites du gaz enfermé dans la cuvette. S'il faut étudier des gaz corrosifs tels que H2S et SO2 ou des gaz instables, par exemple NO2, l'utili- sation d'analyseurs de gaz de ce type est compliquée et n'est possible que lorsque certaines conditions sont respectées (température et humidité constantes). On connaît 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 spec- trale examinée, et un système optique comprenant, disposés l'un après 1'autre dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un moyen pour disperser la bande spectrale examinée du gaz à ana- lyser et un diaphragme de sortie à fente monté de manière à pouvoir tourner et réalisé sous la forme d'un disque doté d'un groupe de fentes pour le balayage de la bande spectrale examinée du gaz.à analyser sur un photo- récepteur, dont la sortie est branchée sur l'entrée d'un amplificateur de signaux électriques dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enregistreur. Dans l'analyseur corrélationnel de gaz connu, on utilise un réseau de diffraction concave comme moyen de 3 2624607 dispersion de la bande spectrale étudiée du gaz à analy- ser, airos que les fentes pratiquées dans le disque sont en arc et disposées de manière qu'elles coincident avec la position des maxima et des minima du spectre d'absorp- tion du gaz à analyser dans le plan focal du réseau de diffraction concave. La radiation lumineuse traversant le gaz à analy- ser subit une dispersion spectrale sur le réseau de dif- fraction concave et passe ensuite à travers les fentes du disque tournant. I1 se produit alors un balayage discon- tinu de la bande spectrale examinée du gaz à analyser sur le photorécepteur. Le coefficient de modulation de la radiation lumineuse est proportionnel à la différence des intensités des tranches correspondantes de transmission et d'absorption dans la bande spectrale du gaz à analyser et dépend de la teneur du volume étudié en gaz à analyser. Le système optique de l'analyseur de gaz connu est compliqué en ce qui concerne sa fabrication et l'ajustage de son disque, dont les fentes doivent exactement corres- pondre aux maxima et minima du spectre d'absorption du gaz à analyser, ce qui influe considérablement sur les erreurs de mesure et est à l'origine de la mauvaise reproductibi- lité des résultats. Pour passer à l'analyse d'un autre composant gazeux d'un mélange gazeux multicomposant, on est obligé d'utiliser un autre disque à fentes convenable- ment disposées et d'ajuster à nouveau ce disque dans le système-optique. Le but de l'invention est de créer un analyser corrélationnel de gaz dans lequel, grâce à la disposition des fentes du disque, à l'utilisation d'un amplificateur de signaux électriques et de blocs électriques supplémen- taires, il serait possible d'effectuer les analyses des mélanges gazeux multicomposants sans qu'il soit néces- saire de remplacer le disque du système optique. ' Ce problème est résolu grâce au fait.que, dans l'analyseur corrélationnel de gaz comprenant une source 4 2624607 de radiation lumineuse dont la radiation traverse le gaz à analyser à structure quasi périodique de la bande spec- trale examinée et un système optique comprenant, l'un après l'autre dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un moyen de dispersion de la bande spectrale examinée du gaz à analy- ser et un diaphragme de sortie à fente monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation et réalisé sous la forme d'un disque doté d'un groupe de fentes pour le balayage de la bande spectrale examinée du gaz à analy- ser sur un photorécepteur dont la sortie est branchée sur l'entrée d'un amplificateur de signaux électriques dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enre- gistreur, selon l'invention,les fentes pratiquées dans le disque sont régulièrement espacées suivant la périphérie du disque, à une même distance de son centre et la distance entre les centres de deux fentes voisines est sensiblement égale à la longueur de balayage de la bande spectrale exa- minée du gaz à analyser dans le plan de balayage, et on prévoit un amplificateur supplémentaire.de signaux élec- triques, dont l'entrée est branchée sur la sortie du pho- torécepteur, et un bloc correcteur dont les entrées sont branchées sur les sorties de l'amplificateur principal et de l'amplificateur supplémentaire de signaux électriques et dont la sortie est reliée à l'entrée de l'enregistreur, l'amplificateur principal de signaux électriques ayant la forme d'un amplificateur à résonance, dont la fréquence de résonance est déterminée par le rapport choisi entre la vitesse de rotation du disque, le nombre de maxima ou de minima dans la bande spectrale examinée du gaz à ana- lyser et le nombre de fentes du disque. I1 est préférable que la fréquence de résonance de l'amplificateur principal à résonance soit déterminée par la relation f - 1 Nk, o est la bande spectrale examinée du gaz à analyser; est la période de la struc- ture de la bande spectrale examinée du gaz à analyser; N est la vitesse de rotation du disque; k est le nombre de fentes du disque. Il est avantageux de réaliser l'amplificateur supplémentaire de signaux électriques sous la forme d'un amplificateur à résonance dont la fréquence de résonance est déterminée par la vitesse de rotation du- disque et par le nombre de fentes du disque. L;analyseur corrélationnel de gaz selon l'inven- tion permet d'étudier les composants gazeux des mélanges gazeux multicomposants sans qu'il soit nécessaire de chan- ger le disque du système optique, ce qui réduit nettement les erreurs de mesure provenant des imprécisions d'ajus- tage du disque dans le système optique. La réalisation, dans le disque, des fentes régu- lièrement espacées suivant sa périphérie ne présente pas de difficultés au point de vue technologique et estoadap- tée aux conditions de fabrication en série. Le fait d'utiliser, dans le circuit électrique de l'analyseur corrélationnel de gaz,deux amplificateurs à résonance et un bloc correcteur permet de neutraliser considérablement l'influence de différentes perturbations et donc de réduire les erreurs de mesure. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple non limitatif de sa réalisation en se-référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement l'analy- seur corré.lationnel de gaz avec son système optique,en coupe, selon l'invention; - la figure 2 représente le disque doté d'un grou- pe de fentes et les spectres de transmission pour NH3 et S2 coincidant avec la position de deux fentes voisines. L'analyseur corrélationnel de gaz comprend une - source 1 (figure 1) de radiation lumineuse qui peut être une source de radiation lumineuse artificielle ou natu- relle (la Lune ou le Soleil), et un système optique 2. 6 2624607 Entre la source 1 de radiation lumineuse et le système optique 2 est placé le gaz à analyser 3 à structure quasi périodique de la bande spectrale examinée, ce gaz se trou- vant dans l'atmosphère ou dans une cellule spéciale. Selon le mode de réalisation envisagé, le système optique 2 comprend, l'un après l'autrebdans le sens de la radiation lumineuse, un pare-soleil 4 servant à proté- ger le système contre la lumière diffuse, un condensateur réalisé sousla forme d'une lentille biconvexe et servant à concentrer la radiation lumineuse sur un diaphragme d'entrée à fente 6, un moyen 7 de dispersion de la bande spectrale examinée A du gaz à analyser 3, ayant la forme d'un réseau de diffraction concave, et un diaphragme de sortie à fente 8 monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation. Selon d'autres modes de réalisa- tion, le moyen 7 de dispersion de la bande spectrale exa- minée L Xdu gaz à analyser 3 peut être réalisé sous la forme d'un réseau de diffraction plan et d'un objectif biconvexe placé après ce réseau et destiné à focaliser la radiation lumineuse sur le diaphragme de sortie 8 à.fen- te. Selon le mode de réalisation envisagé, le diaphragme de sortie 8 à fente se présente sous la forme d'un disque (disque 8 dans le texte qui suit) doté d'un groupe de fentes 9 régulièrement espacées suivant la périphérie du disque 8, et entraîné en rotation par le moteur électri- que 10. Après le disque 8, dans le sens de la radiatidn lumineuse, est placé un photorécepteur 11 dont la sortie est branchée sur l'entrée d'un préamplificateurl12 de signaux électriques dont la sortie est branchée sur les entrées des amplificateurs 13, 14 de signaux électriques. L'amplificateur 13 de signaux électrique est un amplifi- cateur à résonance et sert à séparer la fréquence de résonance fl déterminée par la relation f1 =Nk, - 7 2624607 o A-A est la bande spectrale examinée du gaz à analyser 3 à structure quasi périodique; S X est la période de la structure de la bande spec- trale examinéeAÀiXdu gaz à analyser 3; N est la vitesse de rotation du disque 8; k est le nombre de fentes 9 dans le disque 8. L'amplificateur 14 de signaux électriques est-un amplificateur à résonance à une autre fréquence de réso- nance f2 déterminée par la vitesse N de rotation du dis- que 8 et par le nombre de fentes 9 dans le disque 8 et sert à corriger l'instabilité du signal de sortie de l'amplificateur à résonance 13, provoquée par les varia- tions de l'intensité de la radiation lumineuse. Selon un autre mode deréalisation, l'amplificateur 14 peut être un amplificateur à-courant continu. Sur les sorties des amplificateurs 13, 14 de signaux électriques, sont branchées les entrées d'un bloc correcteur 15 dont la sortie est branchée sur un enregistreur 16 gradué en unitésde concentration du gaz à analyser 3. La figure 2 représente le disque 8 doté d'un groupe de fentes rectangulaires 9 (selon le mode'de réalisation envisagé, le nombre de fentes 9 est égal à 10) régulière- ment espacées suivant la périphérie du disque 8 de maniè- re-que leurs centres se trouvent à une même distance r du centre du disque 8 et que la distance entre les cen- tres de deux fentes voisines 9 soit sensiblement égale à la longueur de balayage de la bande spectrale examinée > du gaz à analyser 3 dans le plan focal du réseau de dif- fraction concave qui sert de plan de balayage dans. le mode de réalisation envisagé. Dans le cas o le moyen 7 de dispersion de la bande spectrale examinée &iX, du gaz à analyser 3 a la forme d'un réseau de diffraction plan et d'un objectif de sortie biconvexe, il se produit, comme on le sait, une distorsion des raies spectrales non centrales du gaz à analyser 3. Donc, pour supprimer l'as- tigmatisme dans le système optique 2, il est préférable 8 2624607 de réaliser les fentes 9 du disque 8 sous la forme d'arcs de cercle disposés de la même façon que les fentes rectan- gulaires 9. Pour que le dessin soit plus clair, les tranches examinées des spectres de transmission pour NH3 et SO2 (figure 2, courbes a, b) sont représentées contre les fentes 9 du disque 8. L'axe des abscisses représente la longueur d'onde du spectre des gaz à analyser 3 en nm et l'axe des ordonnées représente la valeur de transmission T en unités relatives et, pour plus de clarté,les spectres pour NH3 et SO2 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) traverse de gaz à analyser 3 et son spectre acquiert une structure quasi périodique caractéristique dans la bande spectrale examinéel\, comme indiqué sur la figure 2. Puis, après avoir passé le pare- soleil 4 (figure 1) servant à rrotéger le système optique contre la radiation lumineuse diffuse, la radiation lumi- neuse étudiée arrive au condensateur 5 qui la focalise sur le diaphragme d'entrée à fente 6. Après avoir tra- versé celui-ci, la radiation lumineuse frappe le réseau de diffraction concave qui la d-isperse dans la bande spec- trale examinée Aà?(figure 2) du gaz à analyser 3 (figure 1), cette radiation lumineuse étant focalisée dans le plan focal du réseau de diffraction concave. Le disque tournant 8 percé des fentes 9 espacées de là dis- tance 1 égale à la longueur de balayage de la bande spec- trale examinée' X du gaz à analyser 3 effectue un bala- yage continu dans le temps de la bande spectrale exami- née /LXsur le photorécepteur 11, de sorte que, dès que la bande spectrale examinée ARcesse d'être balayée par l'une des fentes 9, elle commence à être balayée p.ar la fente 9 voisine. C'est ainsi que pendant une révolution du 9 2624607 disque 8, il se produit k balayages.de la bande spectrale examinée X du gaz à analyser 3, o k correspond au nombre de fentes 9 du disque 8. La radiation lumineuse transfor- mée en un signal électrique arrive, de la sortiedu photoré- cepteur 11, à l'entrée du préamplificateur 12 qui délivre un signal amplifié aux entrées des amplificateurs.13, 14 de signaux électriques dont le premier sépare et amplifie le signal à la fréquence fI et supprime les signaux aux autres fréquences. Sur les spectres de transmission repré- sentés sur la figure 2 pour NH3 (courbe a) et 502 (courbe b), la bande spectrale examinéeAde structure quasi périodi- que est de 200 à 215,5 nm et la période \ de la struc- ture quasi périodique est respectivement de 3,8 nm et 1,6 nm. A une vitesse de rotation N du disque 8 égale à 60 t/s, la fréquence de résonance f est de 2400 Hz pour NH3 et de 6000 Hz pour SO Donc, pour analyser la concentration en NH3, l'ampli- ficateur à résonance 13 est réglé à la fréquence de 2400 Hz et pour analyser S02, on le règle à la fréquence de 6000 Hz. Dans ce cas, l'amplitude du signal séparé corres- pond à la concentration du gaz à analyser 3. L'autre amplificateur 14, s'il est réalisé sous la forme d'un amplificateur à résonance, sépare le signal à la fréquence f2 = 600 Hz caractérisant le processus de balayage et ne dépendant pas des caractéristiques spectrales du gaz à analyser 3, et supprime les signaux aux autres fréquences, provoqués par des perturbations externes. Les signaux de sortie des amplificateurs 13, 14 sont appliqués aux en- trées du bloc correcteur 15 qui réduit l'amplitude du signal à la fréquence f1 à l'amplitude du signal à la fré- quence f2. C'est ainsi qu'il se produit une compensation des variations de l'amplitude du signal à la fréquence f1 provoquées par les variations de l'intensité de la radia- tion lumineuse par suite de son absorption non sélective - sur son trajet, ainsi que par suite des variations des paramètres de la source 1 de radiation lumineuse, cette compensation permettant d'améliorer laprécision des mesu- res. Le signal réduit délivré par le bloc correcteur 15 arrive à l'entrée de l'enregistreur 16 qui affiche la concentration du gaz à analyser 3 sous forme numérique ou analogique. Dans le cas o le système optique 2 est disposé dans la même enceinte que la source 1 de radiation et que, donc, tout le trajet optique est protégé contre la radia- tion étrangère, il est préférable que l'amplificateur 14 de signaux électriques soit réalisé sous la forme d'un amplificateur à courant continu. Dans ce cas, le bloc correcteur 15 réduit l'ampli- tude du signal à la fréquence fl à la Composante continue du signal. L'affichage du signal t'effectue d'une manière- analogue à celle ci-dessus décrite. Pour passer à la mesure de la concentration d'un autre composant gazeux du mélange gazeux multicomposant, il suffit de régler l'amplificateur à résonance 13 à une autre fréquence de résonance f1 correspondant aux carac- téristiques spectrales R, du gaz à analyser 3. Il n'est alors pas besoin de changer le disque 8 ni de réajuster le système optique 2, ce qui améliore nettement la précision des mesures. Donc, l'analyseur de gaz corrélationnel selon l'in- vention est caractérisé par la simplicité de construction et par la facilité d'ajustage du système optique et de son utilisation. - il 2624607 R E V END I C A T I ON S 1. Analyseur corrélationnel de gaz comprenant une source de radiation lumineuse, laquelle traverse le gaz à analyser à structure quasi périodique de la bande spec- trale examinée Q et un système optique comprenant, l'un après l'autre dans le sens de la radiation lumineuse, un condensateur, un diaphragme d'entrée à fente, un moyen de dispersion de la bande spectrale examinéeA du gaz à analyser et un diaphragme-de sortie à fente monté de manière à pouvoir effectuer un mouvement de rotation et ayant la forme d'un disque doté d'un groupe de fentes pour le balayage de la bande spectrale examinéeà;k du gaz à analyser sur un photorécepteur dont la sortie est bran- chée sur l'entrée d'un amplificateur de signaux électri- ques dont la sortie est électriquement reliée à l'entrée d'un enregistreur, caractérisé en ce que les fentes (9) pratiquées dans le disque sont régulièrement espacées suivant la périphérie du disque, à une même distance (r) de son centre, la distance (t) entre les centres de deux fentes (9) voisines étant sensiblement égale-à la lon- gueur de balayage de la bande spectrale examinée -du gaz à analyser (3) dans le plan de balayage, en ce qu'on reçoit un ampli- ficateur 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 branchées sur l-es sorties dé l'amplificateur principal et de l'amplificateur supplémentaire (13, 14) de signauxélectriques et dont la sortie est reliée à l'entrée de l'enregistreur (16), et en ce que l'ampl'ifica- teur principal (13) de signaux électriques est réalisé sous la forme d'un amplificateur à résonance dont la fré- quence de résonance (fi) est déterminée par le rapport - choisi de la vitesse (N) de rotation du disque, du nombre de maxima ou de minima dans la bande spectrale examinée t du gaz à analyser (3) et-du nombre (k)'de fentes (9) du disque. 12 2624607 2. Analyseur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de résonance (fl) de l'amplificateur principal à résonance (13) est déterminée par la relation fl _ A- Nk, o IS est la bande spec- trale examinée du gaz à analyser (3), &À est la période de la structure de la bande spectrale examinée du gaz à analyser (3), N est la vitesse de rotation du disque, k est le nombre de fentes du disque. 3. Analyseur de gaz selon l'une quelconque des revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'amplifica- teur supplémentaire (14) de signaux électriques a la forme d'un amplificateur à résonance dont la fréquence de résonance.(f2) est déterminée par la vitesse (N) de rota- tion du disque et le nombre (k) de fentes (9) du disque.