Brevet FR2689630A1 — publié le 19931008

Procédé de mesure de l'intensite d'un rayonnement ultraviolet émis par âne source et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procéde La présente invention concerne un procede de mesure de l 'intensité d'un rayonnement ultraviolet emis par une source et unlm dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede. L'effet photo-électrique et son utilisation dans les cellules photoelectriques à gaz sont connus, notamment, grâce à "Der lichtelektrische Effekt und seine Anwendungen" (L'effet photo-electrique et ses applications) de H Simon, R Surmann (éditeur), deuxième édition révisée 1958, Springer Verlag, Berlin /Gôttingcren /Heidelberg Dans une cellule photo-électrique à gaz excitée par un courant continu, le courant de décharge ne peut être influencé par la lumière que si la production du porteur de charge est sensiblement modifiée par l'effet photo-électrique subi par la cathode. Sur la gamme des fréquences des ultraviolets, les cellules photo- électriaues à gaz sont plus sensibles que les détecteurs photoelectriques au silicium; en outre, elles sont insensibles aux frequences du spectre visible et aux fréquences inférieures C'est la raison pour laquelle on utilise généralement de nos jours des cellules photoélectriques a gaz pour la surveillance des incendies et la détection de flammes. Les cellules photo-électriques telles qu'elles sont utilisees dans les équipements de surveillance des incendies ont une pression de remplissage d'environ 100 mbar Elles sont genéralement excitees sur la gamme de décharge lumineuse à maintien automatique par une tension sinusoïdale de quelques centaines de Volts Le circuit d'analyse d'un systeme de détection de flammes ne se déclenche que si le courant de décharge moyen est superieur ou inférieur à un seuil donné Le seuil doit être défini de manière à ce que seule la présence d'une flamme puisse engendrer un courant supérieur Pendant la durée de vie d'une cellule photo-électrique, il est possible qu'une décharge se produise en 1 'absence de tout rayonnement Ceci indique que la tension appliquée est supérieure à une valeur critique qui diminue au cours de la vie de la cellule C'est pourquoi il faut contrôler réegulièrement le blocage de la fonction de décharge à l'aide d'un obturateur. GB-A-1 515 116 présente un procede et un dispositif de ce type, basés sur l'optimisation de la réponse des tubes lumineux à gaz à cathode froide au rayonnement ultraviolet Ce procedé et ce dispositif connus utilisent notamment un certain nombre d' indications poi-r s'assurer que la décharge est provoquée par la source a surveiller et non par une caulse quelconque. Mais la oresente invention concerne la mesure de l'intensité du rayonnement ultraviolet émis par une source: elle peut être appliquée, par exemple, aux systèmes de désinfection utilisant le rayonnement ultraviolet. Dans ce type d'application, il est indispensable de connaitre l' intensité du rayonnement ultraviolet dans un environnement défini pour crarantir l'efficacite de la désinfection Jusqu'à preésent, les systemes de contrôie de l'intensité des rayonnements sont bases sur les principes suivants: 1 L'intensité de la source d'ultraviolet est supérieure à l'intensité nécessaire pour éradiquer les bactéries dans un environnement défini Il suffit pour cela de contrôler le fonctionnement de l'emetteur On peut soit contrôler le courant electrique de l'emetteur, soit contrôler la lumiere, comme par exemple pour le système de detection de flammes décrit cidessus. 2 L'intensité est contrôlée par des semi-conducteurs photo-sensibles Dans ce cas, il faut soit contrôler une partie du spectre des fréquences auquel l'appareil est sensible, soit convertir le spectre ultraviolet en lumière visible à l'aide de substances luminescentes. La présente invention a pour objet principal de proposer un procéde simple et efficace et un dispositif permettant de mesurer l'intensité du rayonnement ultraviolet emis par une source. En ce qui concerne le procéde, cet objectif est atteint grace a l'utilisation d'une cellule photo-eélectrique a gaz soumise au rayonnement, par l'activation de cette cellule par un courant pulse dont la tension, située sur la gamme de décharge lumineuse à maintien automatique, génère des périodes d'impulsions de déclenchement régulières pendant lesquelles la tension appliquee est supérieure ou egale à la tension d'allumagcre, ce qui provoque les impulsions de décharge lorsque la detection des photons par la cathode de la cellule photo-electrique géneère une emission photo-electrique, et gr&ce à l'utilisation du rapport entre la durée moyenne des impulsions de décharge et la duree des impulsions de déclenchement conmme indicatelur e l'intensité du rayomnnement, ce rapport étant inférieur a 1. Une deuxième solution reside dans l'utilisation d'une cellule photoélectrique soumise au rayonnement, par i 'activation de cette cellule par un courant pulse dont la tension, situee sur la gamme de decharg e lumineuse à maintien automaticue, génère des périodes di impulsions de decienchement régulieères pendant iescuelles la tension applicquée est supérieure ou égale à la tension d'allumage ce qui provoque les impulsions de dlecha-rce lorsque la détection des photons pear la cathode de la cellule photo-electrique génere une émission photo- electriqcle, et par l'utilisation de la valeur efficace du courant de décharge comme indicateur de i'intensite du rayonnement. En ce cui concerne le dispositif ou i 'eéauipement d' application du procédé, um de ces modeles les plus interessants se caracterise par une source d'alimentation electrique et un generateur d'impulsions relies à une cellule photo-electrique, un redresseur de mesure a valeur efficace connecte a la sortie de la cellule photo-électriqtue et un comparateur à fenetre recevant la valeur efficace émise par le redresseur, le seuil inférieur Un détecte par ce comparateur étant géneré par l'intensite minimale de rayonnrmement et le seuil supérietur Uma, servant à contrôler le blocage de la fonction de décharge. Ce principe est rendu possible uniquement par le fait cu'en cas de rate de blocage, I'impulsion de déclenchemernt et 1 'impulsion de décharge sont de même durée, de sorte cque le courant atteint sa valeur maximale On utilise de préférence des circuits intégrés courants tels qu'une horloge 556. un transformateur AD 536 et un comparateur TCA 965. Au plus l'impulsion de décharge commence tôt après le début de l'impulsion de déclenchement, au plus le rayonnement ultraviolet qui produit les photons frappant la cathode de la cellule photo- électrique et generant la decharge doit être intense Pour être plus precis, les cellules photo- électriques à ultraviolet fonctionnent comme des tubes de declenchement activés par des photons Autrement dit, un photon atteicgnant la cathode photo- électrique est capable de provoquer une décharge Les explications essentielles donnees dans la section suivante S appliquent à ce type de cellule photo-électrique D'une maniere génerale elles s'appliquent aux détecteurs et aux circuits de détection fonctionnant comme un solénoïde au maintien automatique déclenché par une grandeur physique. Les exoiications théoriques sont illustrees sur les dessins suivants sur lesquels: La Ficure 1 représente la tension de service d'une cellule photo- electrique a ultraviolet dotee d'électrodes symetricques; on peut rendre n'importe quelle courbe de tension periodique rectangulaire sans nuire au traitement statistique (le traitement statistique n'est explique dans la description que par les écuations 1 et 2); La Figure 2 illustre la tension de service rectangulaire d'une cellule photo-électrique; La Figure 3 represente les impulsions de decharae par unite de temips: et La Figure 4 est un schema simplifie d'un circuit de coimutation destine a un appareil pour la mise en oeuvre du procéde. La Figure i permet d'expliquer quelques definitions La tension d'allumage U est la tension continue la plus Lasse provocuant une décharge lorsqu'elle est appliules entre l'anode et la cathode des cu'une émission photo-électrique a lieu. La durée de l'impulsion de declenchement Z est le temps pendant lequel la tension appliquée est supérieure ou écgale à la tension d'allumage. Une tension de service appropriée permet d'obtenir une duree d'impulsion de déclenchement périodique d' une période T. Ces définitions étant posées, n'importe quelle courbe de tension de service périodique peut être rendue rectangulaire sans que cela nuise en quoi que ce soit aux possibilites d'analyse statistique Lorsqu'une telle tension est appliquée aux electrodes d'une cellule photo-electrique à ultraviolet, la probabilité d'un allumage provoqué par les photons atteignant la cathode est donné par l'équation suivante Art I -e e(") n est le nombre d'impulsions électriques (Figure 3 > par unité de temps: et no est la grandeur caracteristicque concernant le nombre de photons atteignant la cathode par unité de temps. Des recherches ont montre qle N est Quasiment independant de Par conséquent, la duree moyenne des impulsions de decharce est donnee par la formule suivante: T C_ NT > o ( 2) Si la courbe de tension de service est rectangulaire l'intensité moyenne du courant est donnée par ia formule suivante: r A ( 3) L'intensité efficace du courant est donnée par la formule suivante: Héra I 5 ( 4) peut être mesure suivant les principes donnes par les equations ( 2, ( 3) ou ( 4). Eemple: Mesure de la largeur d'impulsion numericue avec i 'equation ( 2). Pour mesurer l 'intensité du rayonnement, il faut étalonner les appareils de mesure La précision de la mesure d' intensite suivant le procedé base sur l'équation n'est pas tres grande, mais elle est suffisante pour le contrôle d'intensité dont il est question ici. Le dispositif présente ici est bse sur la mesure du courant efficace La Figure 4 represente le schéma simplifie du circuit de commutation La période et la iargeur dimpulsion de l'onde de tension cde service rectangulaire appliquée par une source 1 et un gneérateur d' impulsions 2 à un commutateur à semi-conducteur sont variables ( 10 ms > T > 0,5 ms) Le commutateur a semi-conducteur utilise est un _ 43 =SET (transistor métal-oxyde à effet de champ) de puissance car, l'excitation des MóOS-ET ne demandant quasiment aucune puissance, leur couplage est trés facile a réaliser Ce couplage éventuel peut être exprimée par le symbole utilise pour 1 interrupteur de ligne d'arrêt 6 de la Figure 4. La valeur efficace du courant traversant la cellule ou les tubes photoélectriques 3 est convertie en tension continue par un redresseur de mesure a valeur efficace 4 Cette tension continue est contrôléee par un comparateur à fenêtre 5 Le seuil inferieur U Min est donne par l'intensite minimale, tandis que le seuil superieur U Ma est utilise pour contrôler le blocage de la décharge Ce principe est rendu possible par le fait qu'en cas de rate de blocage, 7 e est egal à la valeur Z, de sorte que le courant atteint sa valeur maximale. Une source d'alimentation stabiliisee 1 donnant une tension constante est nécessaire si l'alimentation du redresseur de mesure a valeur efficace 4 implique une perte de potentiel au niveau de la résistance R En revanche, si la résistance R, est remplacée par exemple par une diode de Zener (non représentée), cette source d'alimentation stabilisee donnant une tension constante n'est pas nécessaire. Le montage a été realisé avec des circuits integrés, à savoir une horloge 556, un transformateur AD 5:36 et un comparateur TCA 965, montés normalement. Ainsi, le dispositif faisant i objet de l'invention peut être réalisé avec des circuits intégrés peu coûteux bien cqu'un tel circuit puisse adopter différentes structures Dans tous ies cas, il est possible de contrôler l'intensité du rayonnement ultraviolet avec des cellules photo- électriques excitées sur la gamme de décharge lumineuse à maintien automatique, ce qui represente un avantage suppiementaire dans la mesure ou les rates de blocacre, et par consecuent les defailiances araves pour l utilisation des cellules photo-electrig-es a ult-raviolet peuvent être détectees. * * i RI Revendications 1 Procédé de mesure de 1 intensite d'un rayvonnement ultraviolet emis par une source caractérise par i 'utilisation d'une celluie photo-electrique a gaz soumise au rayonnement par l'activation de cette cellule par un courant pulsé dont la tension, située sur la cfaznme de décharge lumineuse à maintien automatique genére des periodes d'impulsions de declenchement regulières pendant lesquelles la tension appliquée est supérieure ou égale à la tension d'allumage, ce qui provoque les impulsions de décharge lorsque la détection des photons par la cathode de la cellule photo-électrique génère une émission photo-électrique, et par l'utilisation du rapport entre la durée moyenne des impulsions de décharge et la durée des impulsions de déclenchement comme indicateur de l 'intensité du rayonnement, ce rapport étant inférieur à i. 2 Procedé de mesure de 1 'intensité d'un rayonnement ultraviolet emis par une source caractérise par l'utilisation d'une cellule photo-électrique à gaz soumise au rayonnement, par l 'activation de cette cellule par un courant pulsé dont la tension, situee sur la gamme de décharge lumineuse à maintien automatique génere des périodes d'impulsions de déclenchement regulières pendant iesquelles la tension appliquée est supérieure ou égale a la tension d'allumage, ce qui provoque les impulsions de décharge lorsque la détection des photons par la cathode de la cellule photo-électrique génère une émission photo-électrique, et par l'utilisation de la valeur efficace du courant de decharge comme indicateur de l'intensité du rayonnement. 3 Dispositif pour la mise en oeuvre du procedé selon la revendication 2 caracterise par mune source d'alimentation electricrue ( 1) et un genérateur d'impulsions ( 2) relies a une cellule photo- électrique ( 3), un redresseur de mesure a valeur efficace ( 4) connecte a la sortie de la cellule photo-électrique ( 3) et un comparateur & fenêtre ( 5) recevant la valeur efficace émise par le redresseur ( 4), le seuil inferieur Un détecté par ce comparateur ( 5) étant génere par 1 'intensite minimale de rayonnement et le seuil supérieur U servant a contrôler le blocage de la fonction de decharge. Max 4 Dis Dositif confodrme a la reveniication 3 caracterise par le fait que les composants standards qu'il renferme sont des circuits integres tels au'une horioge 556, un redresseur de mesure valeur efficace AD 536 et un comparateur TCA 965. *