Brevet FR2639711A1 — publié le 19900601

La présente invention concerne un procédé pour détecter simultanément dans un mélange gazeux plusieurs gaz présentant une structure d'absorption quasi périodique, ce qui est le cas de très nombreux gaz, en particulier des polluants industriels tels NO2, S02, NO, H2S, CO, CO2, N20. La présente invention concerne également l'appareillage pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Le système de franges de l'interférogramme du spectre d'absorption d'un de ces gaz que l'on cherche à détecter, présente une périodicité Bu, mesurée en nombre d'onde. Le procédé utilisé classiquement pour la détection d'un tel gaz consiste à utiliser un interféromètre calé sur une différence de marche adaptée au gaz à étudier: l'interférogramme d'un flux lumineux ayant traversé une cellule contenant le gaz à étudier et l'interféromètre caractérisé par une différence de marche C présentera un maximum du contraste des franges pour LC = 1/SI. Le brevet français FR-A-2.555.747 décrit un dispositif permettant de mettre en oeuvre un tel procédé et de détecter d'un gaz présentant un spectre d'absorption quasi-périodique. Ce dispositif antérieur comprend une source lumineuse dont le faisceau traverse successivement un objectif de concentration, une cuve à gaz contenant le mélange gazeux à étudier, un filtre interférentiel propre à isoler la totalité de la bande spectrale d'absorption spécifique du gaz recherché, un interféromètre de Fabry-Perrot constitué de deux lames écartées d'une distance e dont les faces en regard sont planes et parallèles et recouvertes chacune d'une couche mince dont le pouvoir réflecteur est faible, au maximum 0,5, sur un large domaine spectral, et un détecteur délivrant un signal dont l'amplitude maximum est proportionnelle à la concentration du gaz recherché contenu dans le mélange de la cuve. Dans cette invention de l'art antérieur, l'interféromètre de Fabry-Perrot est utilisé en tant qu'interféromètre à 2 ondes, c'est-à-dire que les coefficients réflecteurs des faces internes des lames de l'interféromètre sont suffisamment faibles pour qu'un rayon incident I atteignant l'interféromètre ne donne naissance qu'à deux rayons TO et T] dans lesquels on retrouve la quasi totalité de l'énergie du rayon incident, le rayon primaire TO étant directement transmis et le rayon indirect TI étant une fois réfléchi. Le domaine d'absorption d'un gaz étudié correspond à une différence de marche bien définie de l'interféromètre, donc à une distance entre les lames de l'interféromètre caractéristique du gaz. Dans l'invention de l'art antérieur, il est possible d'adapter au mieux la distance entre les lames pour trouver celle qui correspond au gaz particulier recherché et qui conduit à un signal maximum, en déplaçant à l'aide de céramiques piézoélectriques alimentées en courant continu au moins une des lames de l'interféromètre. Dans une réalisation préférentielle de l'art antérieur, la 2è lame de l'interféromètre est montée sur des cellules piézoélectriques alimentées en courant alternatif, de sorte que la distance entre les lames varie entre e - e et e +6 e à une fréquence f liée à celle du courant. Cette opération a pour seul but de moduler le signal de sortie, la modulation s'entendant ici par la répétition à la fréquence f d'une portion au voisinage de son maximum, de la courbe d'intensité en fonction de la distance inter-lames, pour permettre une lecture plus précise de ce maximum. Dans un autre dispositif de l'art antérieur, l'interféromètre de FabryPerrot est remplacé par un ensemble d'interférométrie et de modulation constitué d'un film polarisant jouant le rôle de polariseur, d'une lame biréfringente d'épaisseur e' et de biréfringence A n fournissant une différence de marche Ac = e' xAn, d'un autre film polarisant jouant le rôle d'analyseur, la largeur de la lame biréfringente étant choisie en fonction de sa biréfringence de sorte qu'un signal maximum soit recueilli sur le détecteur pour le spectre du gaz à identifier. Ces dispositifs, compte tenu de matériaux existants pouvant être utilises pour des coûts non excessifs, permettent de traiter des gaz présentant une structure fine d'absorption dans le domaine spectral compris entre 0, 1 et 5 Nm. De tels dispositifs présentent une grande spécificité car il faudrait, pour qu'un deuxième gaz fournisse un signal, qu'il absorbe dans le même domaine de longueur d'onde défini par le filtre et avec une périodicité très voisine de celle du gaz à la recherche duquel le dispositif est plus particulièrement adapté. L'invention permet tout en conservant les avantages des dispositifs de l'art antérieur d'en limiter les inconvénients, notamment la spécificité du matériel en fonction du gaz particulier à rechercher. Le dispositif et le procédé proposes selon l'invention ont pour but la mise en oeuvre d'un ensemble interférométrique et de modulation fournissant simultanément plusieurs différences de marche distinctes, et permettant la modulation des états d'interférence correspondant à ces différences de marche A des fréquences différentes, pour la détection de plusieurs gaz dans un mélange gazeux. Le but est atteint par l'utilisation d'un dispositif comprenant une source lumineuse, un objectif de concentration, une cuve contenant le mélange à analyser, un interféromètre à ondes multiples, par exemple un interféromètre de Fabry-Perrot dont l'une au moins des lames peut être déplacée longitudinalement à vitesse constante, et dont les faces en vis-à-vis des lames sont recouvertes d'une couche réflectrice de coefficient de réflexion supérieur à 0,5, et d'un détecteur. L'invention permet la détection de tous les gaz à structure d'absorption quasi-périodique contenus dans le mélange, en une seule opération: grâce à cette invention, on évite l'utilisation de toute une panoplie d'appareils spécifiques, chacun, d'un gaz particulier. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux figures annexés dans lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement l'ensemble du dispositif de détection, - la figure 2 représente schématiquement l'ensemble d'interférométrie et de modulation de l'invention selon une forme préférentielle de réalisation et son principe de fonctionnement, la figure 3 est une représentation théorique du signal obtenu dans le diagramme ob. Le procédé selon l'invention consiste à faire passer un faisceau lumineux à large spectre à travers le mélange gazeux à analyser, à créer au niveau de l'interféromètre et à partir du faisceau lumineux incident après qu'il ait traversé le mélange gazeux, de nombreux -au moins trois- rayons transmis parallèles, les vibrations portées par ces rayons présentant chacune, par rapport à celles du rayon directement transmis, une différence de marche qui est un multiple différent d'une différence de marche élémentaire Ac, et à moduler les vibrations de chacun de ces rayons transmis à des fréquences différentes en faisant varier la différence élémentaire de marche régulièrement en déplaçant une des lames de l'interféromètre à vitesse constante, à focaliser ces rayons transmis, à détecter, enregistrer le signal résultant de la superposition des vibrations associées aux différents rayons transmis et modulées et à analyser ce signal après filtrage fréquentiel de sorte que l'analyse du signal, de son intensité, se fait bande fréquentielle par bande fréquentielle, ces bandes étant jointives. Un tel procédé peut être mis en oeuvre grace à l'utilisation d'un interféromètre à ondes multiples, tel un interféromètre de Fabry-Perrot tel que schématisé sur la fig. 2, dont les faces planes et parallèles se faisant face sont recouvertes d'une couche mince dont le pouvoir réflecteur est supérieur à 0,5, par exemple 0,95. Un rayon incident sur une telle lame dont une des faces présente un coefficient réflecteur R, voit une partie de son énergie réfléchie par la couche réflectrice, et l'autre partie transmise au travers de la lame. Les phénomènes sont tels que si l'amplitude du rayon incident est égale è 1, l'amplitude du rayon réfléchi sera égale à R et l'amplitude du rayon transmis sera égale à T, l'énergie du rayon 2 2 réfléchi sera égale à R2, celle du rayon transmis T2, la somme des deux énergies des rayons transmis et réfléchi étant égale à l'énergie du rayon incident. Si l'amplitude du rayon incident sur une couche réflectrice de coefficient R, est R, le rayon réfléchi par cette couche sera d'amplitude égale à R2 et le rayon transmis par une couche de même caractéristique placée sur le trajet de ce rayon réfléchi d'amplitude R2 sera d'amplitude R2T. Les deux lames parallèles et planes d'un interféromètre de Fabry-Perrot dont les deux faces internes espacées d'une distance e sont recouvertes d'une fine couche réflectrice que l'on supposera pour simplifier -mais ce n'est pas une obligation- de même fort coefficient réflecteur R avec, de préférence, R > 0.9, constitue en quelque sorte un piège à énergie et un système tel qu'un rayon incident à l'entrée du système donne naissance à plusieurs rayons transmis, parallèles au rayon incident 1, n-1 et d'amplitude T, RT,..., R T pour le rayon d'ordre n, o R et T représentent respectivement le pouvoir réflecteur et le pouvoir de transmission des couches déposées sur les deux faces des lames en regard, les vibrations des rayons transmis présentant par rapport au rayon incident des différences de marche respectivement âc, 26c,...(n-l)Ac pour le rayon d'ordre n, qui seront prises en compte dans un terme de phase. Si l'on place derrière le système interférométrique à ondes multiples un objectif convergent, les vibrations transportées par chacun de ces rayons parallèles à la sortie de l'interféromètre se superposeront en un point M du plan focal de l'objectif. L'amplitude résultante de ces vibrations qui se superposent au point M du plan focal de l'objectif sera, C-étant le nombre d'ondes, A = T + R T e c 4J'R2 T e-'2}.2 a R-' T e2j ra c et l'intensité I = A.A' = T2 (î+R e R2 e-2 C *C *.' Rn- e 21rJac( x(1-R e; lJ R2 e2CJ' 2C +**+ R' e2jn1) en regroupant correctement les termes et en posant i 1 * R2 +R *.... R2i.... - 1-R2 on trouve T 1-R2 I = [1 2R cos21roAc *. *........... 2 Ra cos2ion.cJ qui est la décomposition en fonction sinusoïdale de la fonction d'Airy, forme plus courante de représentation de l'intensité fournie par un interféromètre de Fabry-Perrot. Pour le point F du plan focal situé dans l'axe optique, la différence de marche caractérisant les rayons focalisés en F est Ac = 2e o e représente l'épaisseur de la c lame d'air comprise entre les deux lames parallèles et planes du Fabry-Perrot. On peut rendre cette épaisseur e variable en fonction du temps en disposant une des lames de l'interféromètre sur des céramiques piézoélectriques. Si eo est l'épaisseur de la lame d'air initiale avant d'actionner les céramiques, et V une vitesse constante de déplacement de la lame, l'intensité lumineuse au point F sera I T2 I= 1-R2 [1+2R cos2nC [2e*2 Vt] + 2R2cos2cra [4 e, 4ViVtJ+...+2Rcos2wrO [2neo + 2nVt,) qui est significative d'un système interférométrique à n différence de marche Ap o hp = 2peo0, p étant un entier compris entre 1 et n, chaque terme étant modulé à une fréquence différente f = 2p c V. On observera donc bien, p selon le but fixé, à la sortie du système d'interférométrie, la superposition de n états d'interférences correspondant à n différences de marches, modulés à des fréquences différentes, chaque gaz gi étant caractérisé par une différence de marche ci et une fréquence de modulation fi' donc un nombre d'onde Ci particulier. Une représentation dans le diagramme a, atelle que faite sur la figure 3, est commode pour expliquer le fonctionnement d'un tel analyseur multigaz. Dans ce diagramme, le gaz gi peut être représenté par le domaine i, en effet il absorbe sur un domaine autour de i et provoque une recroissance des franges autour de Aci. De même, le gaz gj peut être représenté par le domaine j. Il suffit donc d'ajuster e pour que c,i et Acj appartiennent à l'ensemble des Ap = 2p eo. On aura intérêt à choisir e suffisamment petit, en fonction des gaz que l'on cherche à détecter, pour que l'échantillonnage soit suffisamment serré de sorte qu'une recroissance ne passe pas inaperçue. Remarquons que si deux gaz absorbent dans le même domaine avec des différences de marche caractéristiques différentes, les informations relatives à ces deux gaz seront modulées à des fréquences différentes. On pourra donc aisément les séparer par filtrage fréquentiel et ces informations combinées reçues par le même détecteur pourront être démultiplexées électroniquement. Si deux gaz absorbent dans des domaines différents pour que les fréquences de modulation soient différentes, il est nécessaire que -i x i # r. x j. On aura donc intérêt, dans certains cas, à disposer derrière l'interféromètre un démultiplexeur à réseau de façon à isoler les bandes d'absorption des différents gaz recherchés. On fait l'analyse du signal reçu, fonction de la distance entre les lames de l'interféromètre, bande fréquentielle par bande fréquentielle. Pour chacune des bandes fréquentielles on recherche, comme on le faisait antérieurement, la valeur de cette distance pour laquelle le signal présente un maximum et on en déduit directement le gaz qui marque ainsi sa présence, ainsi que sa concentration. Une forme de réalisation permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention est schématisé sur la figure 1. On retrouve dans ce dispositif des éléments analogues b ceux du dispositif antérieur, bien que leur utilisation ne soit pas la même. Le dispositif selon l'invention comprend une source 1 à spectre large dont le faisceau est focalisé par l'objectif 2, traverse la cuve à gaz 3, traverse un interféromètre 5 à ondes multiples de Fabry-Perrot, dont la face interne des lames 6 et 7 est recouverte d'une couche fortement réflectrice et dont une des lames est montée sur cellules piézoélectriques 11, traverse une lentille de focalisation 8 et atteint un détecteur analyseur 9. Accessoirement, on peut placer un filtre interférentiel 4 entre la cuve à gaz 3 et l'interféromètre à ondes multiples si l'on veut utiliser l'analyseur multigaz comme analyseur monogaz, pour isoler la bande spectrale spécifique du gaz recherché. Dans une variante on place entre l'interféromètre et la lentille de focalisation 8 un démultiplexeur à réseau 10 pour isoler les bandes d'absorption des différents gaz recherchés. La forme de réalisation préférentielle de l'analyseur multigaz ne comprend ni ce filtre 4 ni ce démultiplexeur à réseau 10. En fonction des matériaux existants, on pourra envisager la réalisation d'un appareil de technologie différente suivant qu'il est destiné aux recherches dans l'infrarouge ou dans l'ultra-violet. Ainsi à titre d'exemple, pour le dispositif destine à des analyses plutÈt dans le domaine de l'infrarouge la source pourra être un globar, les objectifs, fenêtres de cuve et lames de l'interféromètre, en fluorine, les couches réflectrices de l'interféromètre en silice et le détecteur une cellule photorésistante au PbSe, refroidie. La distance entre les lames de l'interféromètre sera, à titre d'exemple, réglée à 1 mm. La course permise par les cellules piézoélectriques n'étant que de quelques dizaines de microns, celles-ci seront soumises à une rampe de tension en "dents de scie" de sorte que la lame mobile de l'interféromètre subira non un déplacement continu à vitesse constante, mais un mouvement d'aller-retour entre deux positions, le déplacement aller s'effectuant à vitesse constante, toujours la même. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la détection simultanée de plusieurs gaz contenus dans un mélange gazeux et qui présente un spectre d'absorption quasi périodique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - on fait passer un faisceau lumineux à large spectre à travers le mélange gazeux à analyser, - on crée à partir du faisceau lumineux incident ayant traversé le mélange gazeux au moins trois rayons parallèles, les vibrations portées par ces rayons présentant chacune par rapport au rayon directement transmis une différence de marche qui est un multiple différent d'une différence de marche élémentaire, - on module chacune de ces vibrations à des fréquences différentes, en faisant varier la différence élémentaire de marche à vitesse constante, - après focalisation des rayons, on détecte, on enregistre et on analyse après filtrage fréquentiel l'intensité du signal résultant, de sorte que l'analyse se fait bande fréquentielle par bande fréquentielle. 2 - Détecteur interférométrique pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 pour la détection d'au moins un gaz dans un mélange gazeux, comprenant une source lumineuse (1) dont le faisceau traverse successivement un objectif de concentration (2), une cuve à gaz (3), un ensemble d'interférométrie et de modulation (5) avant d'atteindre une cellule de détection, caractérisé en ce que ledit ensemble d'interférométrie et de modulation est constitué d'un interféromètre à ondes multiples dont les faces en vis-à-vis des lames planes et parallèles sont recouvertes d'une couche réflectrice coefficient réflecteur supérieur à 0,5, et en ce qu'au moins une des lames est montée sur cellule piézoélectrique pour déplacer la lame à vitesse constante. 263971 1 3 - Détecteur selon la revendication 2 caractérise en ce que l'on dispose derrière l'interféromètre è ondes multiples un démultiplexeur à réseau. 4 - Détecteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on dispose entre la cuve à gaz et l'ensemble d'interférométrie et de modulation un filtre interférentiel.