Brevet FR2648228A1 — publié le 19901214

Ensemble de capteur pour la mesure optique de composantt aIsex La présente invention concerne un ensemble de capteur pour la mesure d'un composant gazeux par voie optique, qui est constitué d'un bottier qui présente un émetteur, un dispositif récepteur, un support chauffable pour une cuvette de mesure, et des dispositifs optiques pour déterminer la marche des rayons, de l'émetteur au dispositif ré- cepteur en passant par la cuvette. Un ensemble de capteur de ce type est décrit dans la demande de brevet allemand DE-A 24 42 589. L'ensemble de capteur connu sert à mesurer la teneur en 002 de gaz respiratoire. Le gaz respiratoire s'écoule & travers une cuvette de mesure, & travers laquelle est dirigé un faisceau de rayons infra- rouge. Le rayonnement part d'une source de rayonnement infrarouge pulsé, est rassemblé en faisceau par un système de lentilles, et di- rigé en parallèle à travers la cuvette. Après avoir traversé la cu- vette, le rayonnement infrarouge est focalisé sur un détecteur sen- sible à l'infrarouge. Selon les quantités de 002 qui sont présentes dans le gaz respiratoire, le rayonnement infrarouge est plus ou moins affaibli. Afin d'obtenir une meilleure sensibilité, un filtre interfé- rentiel extrait du rayonnement infrarouge les longueurs d'onde aux- quelles la molécule de C02 réagit d'une manière particulièrement ca- ractéristique. On choisit habituellement à cet effet une longueur d'onde d'environ 4,3 microns. Le gaz respiratoire utilisé comme échan- tillon dans le dispositif connu contient une proportion notable de va- peur d'eau, qui peut ne déposer mur les parois intérieures de la cu- vette. Et même lorsque l'échantillon est constitué par d'autres compo- sitions gazeuses, on ne peut pas toujours supposer que la composition gazeuse est exempte de vapeur d'eau. Dans de tels cas, il faut donc s'attendre à une diminution de la perméabilité de la cuvette pour la marche des rayons, si de la vapeur d'eau ou autres particules de sale- tés se déposent sur les parois intérieures de la cuvette, notamment dans la zone laissant passer le rayonnement. Dans le dispositif connu, afin d'empêcher la condensation de la vapeur d'eau, l'ensemble du sup- port de cuvette est chauffé et maintenu constamment à une température empêchant la condensation. Le support de cuvette chauffé entoure la cuvette Jusque sur les zones qui doivent être maintenues dégagées pour le passage du faisceau de rayons & travers la cuvette. Le dispositif connu présente donc l'inconvénient que c'est jus- tement la zone dans laquelle le faisceau de rayons pénètre dans la cu- vette et en ressort, qui n'est qu'indirectement chauffée. Par contre, ce sont les parties qui sont peu importantes pour le passage des rayons qui sont principalement chauffées. Il en résulte une masse thermique élevée, qui doit être amenée et maintenue à une température de chauffage constante à l'aide d'une puissance de chauffage corres- pondante. En outre, la chaleur des zones chauffées de la cuvette doit être transportée jusqu'aux zones de la cuvette traversées par la marche des rayons par le transport de chaleur dans la cuvette elle- même. On connaît en outre des dispositifs (brevet AT-C 384 488) dans lesquels des éléments chauffants électriques sont apposés directement sur la cuvette ou sur les fenêtres de la cuvette. Lorsque la cuvette doit être amovible, commeas cela est nécessaire en vue d'un nettoyage et d'une désinfection ou stérilisation, la liaison électrique des 616é- ments chauffants avec le capteur est réalisé par l'intermédiaire de contacts à fiches. L'inconvénient de cet agencement est la tendance aux pannes mécaniques par suite du fréquent enfichage des contacts, et la tendance & la corrosion des éléments électriques présents sur la cuvette, par suite des opérations de nettoyage ou de stérilisation. En outre, il peut être nécessaire pour des applications données, par exemple dans le domaine médical, d'éviter la présence de contacts électriques qui peuvent être touchés de l'extérieur. La présente invention a donc pour but d'améliorer un ensemble de capteur du type précité de façon que le chauffage des parois de la cu- vette soit limité aux zones qui se trouvent dans la marche des rayons, sans que la zone de passage possible en provenance des dispositifs op- tiques soit limitée par le dispositif de chauffage, et sans que des éléments chauffants se trouvent sur la cuvette elle-mêe, ni que des contacts électriques accessibles de l'extérieur se trouvent sur le capteur. Ce but est atteint par le fait que le support de cuvette possède au moins une fenêtre, se trouvant dans la marche des rayons et lais- sant passer le faisceau de mesure, qui s'applique en contact serré contre la cuvette lorsque cette dernière est installée, et qu'un dis- positif de chauffage, laissant passer la marche des rayons, est fix& de l'autre côté de la face de la fenêtre qui est tournée vers la cuvette. L'avantage de l'invention réside pour l'essentiel en ceci que le dispositif de chauffage reste maintenant limitéd & la surface de la fenêtre à chauffer, ce qui permet une transmission de chaleur efficace sur les zones de la cuvette traversées par le rayonnement optique, bien que le chauffage s'effectue depuis le support de cuvette ou en- core depuis le capteur. En conséquence, on peut choisir une faible puissance de chauffage, afin de maintenir à une température d'environ 40'C la zone chauffée, qui est de petite taille par rapport au volume total de la cuvette de mesure. Etant donné la faible puissance de chauffage qui est nécessaire, le dispositif de chauffage peut être une bande électriquement conductrice appliquée par crépitement ou métal- lisée sous vide, qui est appliquée sur la surface opposée & la cuvette d'un disque de forme circulaire, et qui se trouve à l'extérieur du faisceau de rayons. Une autre possibilité consiste à réaliser le dis- positif de chauffage sous forme d'étroites bandes conductrices métal- lisées sous vide, en zigzag ou en méandres, qui s'étendent sur toute la surface de la fenêtre, tout en laissant un espace libre intermé- diaire suffisamment large pour que le faisceau de rayons puisse pas- ser. Il est également possible de métalliser sous vide sur la face correspondante de la fenêtre un film électriquement conducteur et transparent dans la plage spectrale concernée. Le dispositif de chauf- fage peut aussi bien être encastré & l'intérieur de la fenêtre, voire être amené directement contre la face de la fenêtre qui est tournée vers la cuvette. Dans tous les cas, il faut empêcher que des éléments électriquement conducteurs du dispositif de chauffage dépassent de la face de la fenêtre qui est tournée vers la cuvette. En fixant le dis- positif de chauffage de l'autre c8té de la face de la fenêtre qui est tournée vers la cuvette, la fenêtre peut être enchassée dans le sup- port de cuvette ou dans le bottier de détecteur lui-même de manière étanche aux gaz, ce qui réalise une séparation bermétique entre les éléments conduisant le gaz et les lignes électriques. Cela est en par- ticulier déterminant pour des cas dans lesquels le gaz à analyser peut apparaître en mélanges explosifs, pour le décèlement desquels des me- sures techniques de sécurité spéciales devaient être prises, qui au- raient rendu impossible une telle étanchéification hermétique. Avec la présente invention, ces mesures de sécurité supplémentaires ne sont pas nécessaires. Une application en contact hermétique entre la fe- nêtre et la cuvette reste encore présente même si une fente d'aération d'environ 200 microns se trouve entre elles. Une bonne conduction thermique continue &à être obtenue, sans qu'il faille craindre des en- traves notables sur le plan optique. L'invention est applicable à la fois pour des ensembles de cap- teurs dans lesquels la cuvette est traversée par le rayonnement en éclairage par transmission, et pour des formes de réalisation dans lesquelles le faisceau de rayons est réfléchi après avoir traversé une première fois la cuvette, Dans des ensembles de capteurs qui travail- lent en éclairage par transmission, il faut prévoir deux fenêtres chauffées, qui se font face dans la marcbe des rayons. Dans des en- sembles de capteurs travaillant en éclairage par réflexion, il faut prévoir une fenêtre chauffée ainsi qu'un deuxième disque chauffé de la même manière dans le support de cuvette ou encore dans le boîtier du capteur, ce deuxième disque s'appliquant étroitement contre la partie réfléchissante de la cuvette, et ne devant pas nécessairement être transparent. La suite de la description de l'invention suppose qu'un ensemble de capteur est utilisé en éclairage par transmission. Un autre avantage de l'invention réside en ceci que les deux fe- nêtres sont chauffées séparément et peuvent être thermostatisées à la température de consigne souhaitée, ce qui permet de compenser des asy- métries thermiques qui apparaissent par exemple lorsqu'on utilise une source lumineuse infrarouge qui chauffe différemment les deux disques. Une régulation de température simple est rendue possible en réalisant le dispositif de chauffage sous forme de bandes conductrices à coeffi- cient positif de température (CPT). Le groupe constructif de l'ensemble de capteur qui est le plus sensible à la température et qui réagit nettement aux fluctuations de température est le dispositif récepteur, dont les détecteurs et filtres optiques sont sensibles I la température, et ce d'autant plus mi l'on utilise pour la mesure une source de rayonnement infrarouge comne émetteur. En disposant le dispositif de chauffage exclusivement au voisinage immédiat du faisceau de rayons, sa proximité et par suite sa zone d'influence sur le dispositif récepteur est également très avantageuse en vue d'une stabilisation en température des détecteurs et filtres optiques. La face de fenêtre chauffée peut maintenant être considérée comme face de contact pour le dispositif récepteur réalisé sous forme de module récepteur, le module pouvant être inséré dans le boîtier, amené en contact thermique étroit avec la face chauffable de la fenêtre, et aligné sur l'axe optique. Cette forme de réalisation modulaire permet d'une part d'assurer un contact thermique optimal entre le dispositif de chauffage et le dispositif récepteur, et d'autre part d'aligner entre eux les éléments optiques et détecteurs incorporés dans le module récepteur, et d'utiliser simultanément la face de contact thermique comme butée d'ajustement optique. Cela sis- plifie le montage, et permet de remplacer un module récepteur défec- tueux sans que des ajustements optiques supplémentaires soient néces- saires. De plus, on peut maintenant réaliser le seul module en maté- riau thermiquement bon conducteur, et l'insérer ou l'enfiler- dans le boîtier réalisé en matériau thermiquement mauvais conducteur (matériau plastique par exemple). Comme le dispositif de chauffage est limité aux faces de fe- nêtrés, il est avantageux de prévoir également un module émetteur, qui contient l'émetteur proprement dit, source de rayonnement infrarouge par exemple, et un réflecteur parabolique réfléchissant le rayonnement provenant de l'émetteur. Ce module peut lui-aussi être inséré dans le boîtier et aligné sur l'axe optique. Comme émetteur, on peut prévoir une lampe à incandescence au tungstène quasiment ponctuelle, qui est disposée au foyer du réflecteur parabolique, avec une faible distance focale, d'environ 1,5 *. La lampe à incandescence et le réflecteur parabolique constituent une unité constructive, et peuvent être rem- placés conjointement avec le module. Les deux modules contiennent les différents éléments optiques nécessaires pour le guidage du rayonnement, attendu que le support de cuvette peut constituevune unité indépendante des disques chauffables qui lui sont associés. Le travail d'ajustement optique en est conaidé- rablement simplifié. Afin de compenser, en matière de technique de mesure, l'encrassement des faces de cuvette traversées par le faisceau de rayons, on incorpore opportunément deux détecteurs, dont l'un est sen- sible à la longueur d'onde sur laquelle agit le gaz à mesurer, et dont l'autre est sensible à une longueur d'onde non influencée par le gaz à mesurer. La décomposition du faisceau de rayons dans les deux lon- gueurs d'ondes souhaitées s'effectue au mieux en intercalant dans le faisceau de rayons, avant les détecteurs, un diviseur de faisceau di- chroXque. Ce dernier extrait par filtration, du spectre de rayonnement 6 disponible, les longueurs d'ondes prédéterminées par ses propriétés spectrales de réflexion et de transmission, et les dirige sur les dé- tecteurs correspondants; avant les détecteurs, on peut prévoir en outre un filtre optique respectif pour délimiter encore plus la lon- gueur d'onde. On obtient ainsi des détecteurs dont la sensibilité peut être réglée en vue de la détection des différentes longueurs d'ondes. A cet effet, il est avantageux d'équiper le dispositif récepteur d'une lentille focalisant le faisceau de rayons traversant la cuvette, du diviseur de faisceau dichroXque, des deux filtres optiques et des deux détecteurs. Grâce au couplage thermique avantageux du dispositif ré- cepteur au dispositif de chauffage, on peut obtenir une bonne stabili- sation en température des détecteurs, du filtre de rayonnement et des filtres optiques, qui est nécessaire avec la symétrie de rayonnement présente pour obtenir un signal de mesure exact. Les deux détecteurs doivent être *aintenu-s à une température de travail la plus identi- quesent exacte possible, afin d'empêcher des fluctuations, dues à la température, du signal de mesure. Grâce à la marche symétrique des rayons avant les deux détecteurs, les erreurs de mesure, dues par exemple & des salissures sur les disques de cuvette, sont éliminées. Afin d'améliorer encore la stabilité thermique du dispositif ré- cepteur, il est prévu de réaliser le dispositif récepteur, constitué d'un matériau thermiquement bon conducteur, sous forme de bloc creux, dans une des faces frontales duquel est reçue la lentille, et dans les alésages ou évidements duquel sont encastrés les détecteurs, les filtres optiques et le diviseur de faisceau. Les éléments constitutifs du dispositif récepteur sont maintenant entourés par le atériau ther- miquement conducteur, et isolés vis-à-vis de l'environnement par le bottier réalisé en matériau thermiquement mauvais conducteur (matériau plastique par exemple). En vue de la thermostatisation du dispositif réoepteur, une sonde de température peut être reçue dans ce dispositif, laquelle est de préférence encastrée dans le bloc du module récepteur. Un autre lieu d'installation opportun pour la sonde de température est la face 264a228 de contact entre le dispositif récepteur et le disque chauffé. Cela permet, avec une seule et même sonde de température, de régler à une température de consigne souhaitée à la fois la fenêtre chauffable et le dispositif récepteur. Afin de permettre un ajustement en symétrie axiale des éléments optiques dans le dispositif récepteur, le bloc creux est opportunément réalisé sous une forme cylindrique. Un module ainsi configuré peut maintenant être inséré dans le boîtier et amené contre la face de contact avec le disque chauffé sans exiger d'angle de rotation préfé- rentiel. La même configuration peut aussi être employée pour le module émetteur. L'exposé qui suit décrit plus en détails un exemple de réalisa- tion de l'invention à l'aide du dessin schématique annexé. L'unique figure du dessin annexé représente un ensemble de cap- teur, avec lequel on peut par exemple déceler la teneur en C02 dans l'air respiratoire d'un patient sous anesthésie. A cet effet, on dé- crira dans le présent exemple une mesure de COz à l'aide de rayonne- ment infrarouge. L'ensemble de capteur, représenté en coupe, comprend, dans un boîtier 1, un émetteur 2 qui est réalisé sous forme de source de rayonnement infrarouge. Le rayonnement en provenance de l'émetteur 2 est réfléchi sur un réflecteur parabolique 3, qui forme une unité avec la source de rayonnement 2. L'émetteur 2 se trouve au foyer du réflec- teur parabolique 3, de sorte que le rayonnement infrarouge émis est conformé en faisceau de rayons sensiblement parallèles. L'émetteur 2 et le réflecteur parabolique 3 sont reçus dans un module émetteur cy- lindrique 5 qui peut être enfilé dans le boîtier 1. Sur le module ré- cepteur 6 sont forméedes chambres dans lesquelles se trouvent un dé- tecteur de mesure 7 et un détecteur de référence 8, qui reçoivent le rayonnement nécessaire pour la mesure en provenance d'un diviseur de faisceau dichroïque 9. Le diviseur de faisceau 9 est réalisé en un ma- tériau tel qu'il laisse préférentiellement passer et arriver sur le détecteur de référence 8 des longueurs d'ondes dans la plage de, par exemple, 3,7 microns, et qu'il réfléchit et dirige préférentiellement 5 sur l étecteur de mesure 7 des longueurs d'ondes de rayonnement dans la plage de 4,3 microns. Pour établir encore plus précisément la plage de longueurs d'ondes de mesure et de référence, des filtres interfé- rentiels 25, 26 se trouvent avant les détecteurs. Le C02z à déceler est sensible à la longueur d'onde de mesure d'environ 4,3 microns, de sorte que son absorption constitue une mesure de la teneur en COz. Le rayonnement de longueur d'onde de référence de 3,7 microns n'est pas influencé par le 002. Afin de focaliser le faisceau de rayons infra- rouge sur les détecteurs 7, 8, une lentille réceptrice 10 est incorpo- rée dans le module récepteur 6. Dans le boîtier 1, un support de cu- vette 11 est prévu dans la marche des rayons entre le module émetteur et le module récepteur 6, support dans lequel est enfilée une cu- vette 12 en matière plastique. Le rayonnement infrarouge traverse la cuvette en passant par deux disques de cuvette 13. Des fenêtres 14 sont encastrées dans le support de cuvette 11, en affleurement avec ce dernier, de part et d'autre des disques de cuvette 13, et ces fenêtres laissent passer le rayonnement infrarouge et sont étanchéifiées par masticage ou par un joint annulaire élastomère. Sur la face des cu- vettes 14 qui est opposée à la cuvette 12, une bande conductrice chauffante 15 de forme annulaire est respectivement appliquée par la technique des couches épaisses ou des couches minces, comme disposi- tif de chauffage pour les fenêtres 14. Les bandes conductrices chauf- fantes 15 sont disposées annulairement et laissent libres l'ouverture de passage pour le réflecteur 3 et la lentille 10. Les fenêtres 14 sont constituées d'un matériau à bonne conductibilité thermique, sa- phir par exemple. L'application en contact serré des fenêtres 14 contre les disques de cuvette 13 lorsque la cuvette est installée per- met une bonne transmission de chaleur des bandes conductrices chauf- fantes 15 sur les disques de cuvette 13. Cela supprime la condensation de vapeur d'eau sur les faces intérieures des disques de cuvette 13, condensation qui pourrait résulter de la présence du gaz expiré humide dans la cuvette 12. Le gaz expiré arrive par une ouverture d'admission non représentée, et est évacué hore du dispositif par une ouverture d'échappement, elle-aussi non représentée. L'ouverture d'admission et l'ouverture d'échappement se trouvent diamétralement en vis-à-vis sur un axe perpendiculaire au plan du dessin. Les modules cylindriques 5, 6 insérés dans le boîtier 1 s'appliquent hermétiquement contre le boi- tier 1, et sont amenés en contact hermétique contre les fenêtres 14. Des guidages cylindriques 24 assurent un alignement soigneux des Mo- dules 5, 6 sur l'axe optique de la marche des rayons. Une bague filetée respective 18, qui est vissée dans le boîtier 1, assure la fixation en position des modules 5, 6, les bagues filetées 18 pressant les modules 5, 6 contre les fenêtres 14 et le support de cuvette 11. Les bagues filetées 18 offrent un passage pour l'alimentation élec- trique de la source de rayonnement 2 et des détecteurs 7, 8. En vue de la régulation de température, une sonde de température NTC est insérée dans la paroi frontale du module récepteur 6 qui contient la lentille réceptrice 10. Les signaux de mesure et les signaux de référence reçus par les détecteurs 7, 8 sont amenés à une unité évaluatrice non repré- sentée, qui contient un circuit de formation de quotient, et qui, en formant un quotient à partir des deux signaux des détecteurs 7, 8, produit un signal normalisé qui constitue une mesure du CO2 contenu dans la cuvette 12. RtVDI CATICi8 1. Ensemble de capteur pour la mesure d'un composant gazeux par voie optique, qui est constitué d'un boîtier qui présente un émetteur, un dispositif récepteur, un support chauffable pour une cuvette de ne- sure, et des dispositifs optiques pour déterminer la marche des rayons, de l'émetteur au dispositif récepteur en passant par la cu- vette, caractérisé en ce que le support de cuvette (11) possède au moins une fenêtre (14), se trouvant dans la marche des rayons et lais- sant passer le faisceau de mesure, qui s'applique en contact serré contre la cuvette (12) lorsque cette dernière est installée, et en ce qu'un dispositif de chauffage (15), laissant passer la marche des rayons, est fixé de l'autre côté de la face de la fenêtre (14) qui est tournée vers la cuvette (12). 2. Ensemble de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif récepteur, réalisé sous forme de module récepteur (6), peut être inséré dans le boîtier (1), peut être amené en contact thermique étroit contre la face de la fenêtre (14) qui est munie du dispositifs de chauffage (15), et peut être aligné sur l'axe optique. 3. Ensemble de capteur selon la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que l'émetteur (2) et un réflecteur parabolique (3), réflé- chissant le rayonnement provenant de l'émetteur (2) et le rassemblant en un faisceau de rayons, sont reçus dans un module récepteur (5) qui peut être inséré dans le boîtier (1) et aligné sur l'axe optique. 4. Ensemble de capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif récepteur (6) contient une lentille (10) focalisant le faisceau de rayons traversant la cuvette (12), un diviseur de faisceau dichroique (9), et un détec- teur de mesure (7) et un détecteur de référence (8) réglés pour détec- ter des longueurs d'onde différentes. 5. Ensemble de capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 & 4, caractérisé en ce que le dispositif récepteur est oonsti- tué d'un matériau tbernlquement ibon conducteur et est réalisé sous forme de bloc creux (6), dans une des faces frontales duquel est reçue la lentille réceptrice (10), et dans la paroi duquel sont encastrés les détecteurs (7, 8). il 6. Ensemble de capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'une sonde de température (23) est reçue dans le dispositif récepteur (6). 7. Ensemble de capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif récepteur réalisé sous forme de bloc creux (6) a une forme cylindrique.