Brevet FR2696007A1 — publié le 19940325

La présente invention concerne un dispositif pour la mesure des ions dans un gaz. Selon l'état de la technique un dispositif pour la mesure d'ions dans un gaz est connu sous la forme d'un compteur d'ions dans lequel on utilise comme détecteur un grand condensateur le plus souvent en forme de cylindre avec un diélectrique sous forme de gaz Le gaz dans lequel le nombre d'ions doit être déterminé traverse le condensateur On appli- que une tension élevée aux plaques du condensateur et les ions positifs sont déviés vers la plaque chargée négativement alors que les ions négatifs sont déviés vers la plaque chargée positivement Là ils se dé- chargent, les courants qui en résultent peuvent être mesurés et consti- tuent une mesure du nombre d'ions. Par ailleurs on connaît un dispositif qui rend possible la mesure de la balance d'ions en ce que ce gaz circule le long d'une électrode et que le surplus de charge d'une polarité sur l'électrode entraîne un courant mesurable de sens correspondant Comme la mobilité des ions dé- pend de la polarité, un équilibre pondéré des charges (balance d'ions) s'établit sur l'électrode pour des densités d'ions quelque peu différen- tes dans le gaz. A partir de cet état de la technique, l'objet de la présente inven- tion est de proposer un dispositif pour la mesure des ions sur un gaz qui est petit en volume et provoque le moins de perburbations possible dans le courant de gaz et qui est indépendant de la direction et de la vitesse de l'écoulement, le détecteur devant également pouvoir être raccordé par un câble relativement long à l'électronique d'exploitation du signal. Du fait que l'on choisit comme détecteur une électrode qui est favorable à la circulation du courant gazeux, de préférence en forme de sphère et qui est très petite, par exemple inférieur à 20 mm, le courant gazeux est à peine perturbé et la charge des ions est reçue sensiblement indépendamment de sa direction Le potentiel de cette électrode par rap- port au potentiel de terre ou au potentiel de référence est appliqué par le circuit électrique De ce fait le détecteur peut également être rac- cordé par un câble d'une certaine longueur, étant donné que la charge capacitive du câble n'a pas à être inversée par le signal de mesure Les tensions appliquées sont très faibles, par exemple inférieures à 30 volt, de sorte qu'avec la très faible capacité du détecteur par rapport à son environnement, la tension induite par le détecteur lui-même est très faible. Du fait que cycliquement des tensions différentes sont appliquées, on peut mesurer le nombre d'ions positifs (tension négative), le nombre d'ions négatifs (tension positive) et la balance d'ions (tension nulle), le courant qui circule vers la sphère par évacuation de la charge d'ions étant saisi dans chacun des trois cas. La mesure du courant peut être avantageusement réalisée par un amplificateur opérationnel avec couplage de réaction travaillant en transformateur I/U qui agit simultanément, de sorte que le potentiel de la sphère reste constant Par une filtration du courant dans un filtre à fréquence limite basse par exemple de 30 000/hertz, des perturbations qui pourraient prendre naissance à partir de champs alternatifs pério- diques ou de courants induits de faible durée sont étouffées. Dans une autre forme de réalisation préférée, les parties alterna- tives sont largement éliminées par une intégration du courant sur une durée prédéterminée. Les valeurs mesurées peuvent être comparées à des valeurs limites pré-déterminées, de sorte qu'un signal peut être émis pour un dépasse- ment vers le bas ou vers le haut desdites valeurs. Grâce à la présente invention on peut par exemple surveiller la densité d'ions dans une chambre d'ions stérile à travers laquelle cir- cule un courant d'air, chambre destinée à la fabrication des circuits intégrés ou analogues. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux com- prendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avan- tages qu'elle est susceptible de procurer: La figure unique représente la réalisation schématique du dispositif électrique pour la mesure d'ions selon la présente invention. Sur cette figure on désigne par 1 un détecteur qui est constitué par une électrode en forme de sphère et qui présente de préférence un diamètre inférieur à 20 mm L'électrode 1 est reliée à l'entrée inver- seuse d'un amplificateur opérationnel 3 par l'intermédiaire d'un commu- tateur 2 qui est commandé par une unité de commande 9 Cette liaison peut être constituée par un câble de plusieurs mètres de longueur. L'amplificateur opérationnel 3 est couplé en réaction avec son entrée inverseuse à travers une résistance 4, de sorte que l'amplificateur opérationnel 3 travaille comme transformateur courant/tension L'ampli- ficateur opérationnel 3 est couplé en réaction contre les tensions al- ternatives par les condensateurs 5 qui sont disposés en parallèle avec la résistance 4. L'entrée non inverseuse de L'amplificateur opérationnel 3 est re- Liée à une source de tension négative 6 ou à une source de tension posi- tive 7 par rapport à un potentiel de référence 14 par L'intermédiaire d'un commutateur 8 qui est également commandé par l'unité de commande. L'amplificateur opérationnel 3 est raccordé par sa sortie à un circuit d'exploitation 10 qui est Lui-même en liaison avec un indicateur 11, un dispositif de comparaison 12 et une unité d'alarme 13 Le dispositif d'exploitation 10 et le dispositif de comparaison 12 sont également commandés par l'unité de commande 9. Dans les chambres stériles les charges électriques se trouvant dans l'air sont neutralisées par ionisation de l'air A cet effet il faut effectuer une surveillance continuelle, par exemple de la densité des ions, surveillance qui est réalisée avec un dispositif conforme à la figure unique jointe Pour la mesure du nombre d'ions dans le gaz, par exemple l'air circulant le long de L'électrode 1, l'unité de commande 9 commute le commutateur 8 sur la source de tension positive 6 ou négative 7 La tension positive ou négative est appliquée à l'entrée non inver- seuse de l'amplificateur opérationnel 3 et la tension sur l'électrode 1 s'adapte à cette tension positive ou négative Les ions circulant le long de l'électrode 1 en forme de sphère se déchargent sensiblement indépendamment de leur direction de circulation sur l'électrode, de sorte qu'il circule un courant qui peut être exploité Lorsque l'élec- trode 1 est une sphère selon Rieck, le courant que la sphère absorbé peut être déterminé par: +++ I= 41 r en k cu dans laquelle R est le rayon de la sphère e la charge élémentaire n le nombre d'ions k la mobilité des ions C la capacité de la sphère par rapport à l'environnement U la tension de la sphère par rapport au potentiel de terre. En ce qui concerne le courant qui est engendré par les ions néga- tifs, il faut inverser les signes Comme le montre cette formule le courant est indépendant de la vitesse du gaz Le courant circulant à travers l'interrupteur 2 fermé en provenance du détecteur, c'est-à-dire des électrodes 1, est compensé à travers La résistance 4 par L'amplificateur opérationnel 3 travai L Lant comme transformateur courant/tension, la tension de sortie étant alors le résultat du produit de La résistance 4 et du courant dans Le détecteur La tension sur L'électrode 1 est toujours ajustée par l'amplificateur opérationnel 3 sur La va Leur de l'entrée non inverseuse Du fait de la réaction produite par le condensateur 5 Le transformateur courant/tension prend une caractéristique passe/bas,de sorte que des perturbations induites te L Les que ce L Les qui pourraient par exemp Le être produites par un géné- rateur d'ions sont étouffées De tels signaux électriques perturbateurs sont incorporés comme courant pertubateur à travers la faible capacité du déflecteur par rapport à La source perturbatrice Les tensions alternatives perturbatrices apparaissent affaiblies à la sortie de l'amplificateur opérationnel 3 dans le rapport de la capacité du détecteur par rapport à La source perturbatrice sur La capacité de réaction 5. Dans le circuit d'exploitation 10, La tension fournie par l'amp Li- ficateur opérationnel 3 est éventuellement stockéeet exp Loitéeconformé- ment à la formu Le de Rieck, de sorte que Le nombre d'ions présents peut être déterminé Ce nombre est affiché sur l'indicateur 11. Pour La mesure de la balance d'ions, L'unité de commande 9 commande Le commutateur 8 de te L Le manière que La tension de terre 14 est appli- quée à L'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel 3, de sorte que la tension est nu L Le Le commutateur 8 est de préférence com- mandé de te L Le manière que Les différentes tensions, à savoir La posi- tive et La négative et La tension nulle, sont successivement appliquées L'une après L'autre, de sorte que Les mesures du nombre d'ions positifs, du nombre d'ions négatifs et de la balance d'ions sont exécutées l'une après l'autre. Afin d'éviter toute dérive dûe à des courants et à des tensions "offsets", L'unité de commande 9 met périodiquement l'interrupteur 2 en position ouverte, une mesure sans courant en provenance de l'électrode 1 étant alors effectuée Cette valeur qui est stockée dans le circuit d'ex- ploitation 1 est soustraite dans toutes les mesures qui suivent Les valeurs Limites pour Les nombres d'ions sont stockées dans Le circuit de comparaison 12 et ce circuit compare Les valeurs des mesures par Le circuit d'exploitation 10 avec ces valeurs Limites Si les valeurs mesu- rées sont supérieures ou inférieures à ces valeurs limites, le circuit comparateur 12 délivre un signal au circuit d'alarme 13 et émet une alarme optique ou accoustique Le circuit d'exploitation 10 stocke les valeurs mesurées de sorte qu'elles peuvent être indiquées individuelle- ment ou en cumul sur l'indicateur 11, cet indicateur pouvant par exemple être un écran ou un ordinateur personnel re Lié à travers une ligne de donnée. Dans l'exemple de réalisation ci-dessus, on applique de façon cy- clique à l'électrode 1 une tension fixe par rapport au potentiel de terre Dans un autre exemple de réalisation l'application d'une tension sur l'électrode 1 par rapport au potentiel de terre peut également ré- sulter du fait que l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opération- nel est amenée à la masse du circuit et à cet effet la masse du circuit de l'ensemble du dispositif par rapport au potentiel de terre est modi- fiée Si l'électrode possède une tension par rapport au potentiel de terre, les ions de polarité opposée présents dans le circuit se déchar- gent sur l'électrode Le courant qui est alors à mesurer est directement proportionnel au nombre d'ions correspondant. Dans la forme de réalisation ainsi décrite, des perturbations dûes à des champs alternatifs périodiques ou à des courants de dérives induits de faible durée sont évités par la migration du courant à l'aide d'un filtre à fréquence limite basse Dans une autre forme de réalisa- tion le courant est intégré sur une durée prédéterminée dans un inté- grateur et le nombre d'ions dépendant de la durée de l'intégration est déterminée par la formule Rieck, l'intégrateur étant simultanément vidé. L'importance du signal intégré est une mesure pour la partie continue à mesurer alors que les parties alternatives du signal sont étouffées dans une large mesure. Dans la description ci-dessus on utilise comme électrode 1 une sphère Mais on peut également imaginer d'autres formes qui sont favora- bles à l'écoulement du gaz (goutte, hélice, etc). Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domai- ne de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R EV EN D I C AT I ON S 1 Dispositif pour la mesure d'ions dans un gaz, comportant un dé- tecteur autour duquel circule Le gaz, les ions se déchargeant sur celuici ainsi qu'un circuit électrique pour L'exploitation du courant engendré par les charges, caractérisé en ce que le détecteur est réali- sé sous la forme d'une électrode ( 1) avec une forme favorable à l'écou- lement du gaz, et en ce qu'une tension fixe est appliquée à l'électrode. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode ( 1) a la forme d'une sphère. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendicaitons 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on applique une tension négative pour la mesure du nombre d'ions positifs, une tension positive pour la mesure du nombre d'ions négatifs et une tension nulle par rapport au potentiel de réfé- rence pour la mesure de la balance d'ions. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant est filtré par un filtre à fréquence Limite basse pour l'élimination des champs alternatifs et des champs continus. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit électrique comporte un transformateur courant/tension ( 3, 4). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu un commutateur ( 8) commandé par une unité de commande ( 9) pour appliquer de façon cyclique les différentes tensions à l'électrode ( 1). 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le transformateur courant/tension est réalisé sous la forme d'un amplifi- cateur opérationnel ( 3) avec une résistance ( 4) en liaison de réaction. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il détermine le nombre d'ions à partir du circuit électrique pour l'exploitation du courant appelé par les charges et en ce qu'il est prévu un circuit de comparaison ( 12) stockant les valeurs limites, qui compare les nombres d'ions mesurés avec lesdites valeurs limites. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 6 et 8, caractérisé en ce qu'il est prévu un intégrateur pour l'intégration du courant fourni par l'électrode, intégrateur qui est toujours vidé à des intervalles de temps fixe.