Brevet FR2704651A1 — publié le 19941104

DETECTEUR DE GAZ A DIODE LASER L'invention concerne un détecteur de gaz à diode laser, adapté plus particulièrement à la détection d'hydrocarbures gazeux tels que méthane, en milieu industriel ou domestique. La détection de gaz, que ce soit en milieu industriel ou domestique, revêt un caractère important du fait qu'elle est directement liée à la sécurité des lieux, en particulier s'il s'agit d'un gaz inflammable et explosif. Elle nécessite de disposer d'un instrument capable d'effectuer un contrôle permanent in situ avec une résolution temporelle faible de l'ordre de la minute. Cette détection est basée sur des principes physico-chimiques ou bien des méthodes de spectroscopie optique bien mieux adaptées car plus sélectives sur la nature du gaz à détecter. La mise en application de ces méthodes a été, jusqu'à présent, principalement réservée à des dispositifs de laboratoire, du fait d'un coût encore élevé dû, entre autres, à l'utilisation de diodes laser de type DFB de l'appellation anglo-saxonne "Distributed FeedBack" couplées à des capteurs de l'intensité du faisceau laser, ou à la précision requise de la fréquence laser nécessitant une stabilisation en température performante et un asservissement en fréquence de réalisation généralement complexe. La présente invention a pour but de proposer un dispositif plus simple et d'un coût moins élevé que ceux existant actuellement sur le marché pour une détection fiable et sélective du gaz, par exemple du méthane. A cet effet, I'invention a pour objet un détecteur de gaz comportant une diode laser pour émettre un faisceau laser au travers d'un milieu à surveiller susceptible de recevoir ce gaz et un capteur de l'intensité du faisceau laser pour mesurer son atténuation après sa traversée dans le milieu à surveiller, caractérisé en ce que la diode laser est une diode laser multimode couplée à un filtre interférentiel interposé sur le trajet du faisceau laser entre la diode laser et le capteur pour travailler dans la bande d'absorption du gaz à détecter. Selon une variante de l'invention, le détecteur est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de mesure réalisant la mesure de l'atténuation de l'intensité laser dans le milieu à surveiller à la volée pendant le balayage de la fréquence laser, I'absorption des photons à travers un milieu témoin rempli du gaz à détecter générant cette mesure. Les avantages obtenus grâce à cette invention consistent essentiellement en l'utilisation de lasers multimodes, par exemple de type Fabry-Perot, de coût réduit par rapport aux lasers monofréquence de type DFB. Ils consistent également en ce qu'un asservissement de la fréquence laser sur la raie d'absorption du gaz à détecter, source de systèmes complexes, délicats à mettre en oeuvre et coûteux, n'est plus nécessaire. Les sensibilités de détection pouvant être obtenues avec des détecteurs laser selon l'invention sont suffisantes pour les applications par exemple de type domestique ou industriel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple et faite en regard des figures des dessins annexés qui représentent: - les figures la, 1 b, 1 c, le principe de filtrage spectral permettant d'obtenir une émission monomode dans la bande d'absorption du méthane à partir d'une diode laser multimode - la figure 2, un schéma synoptique d'un dispositif de mesure du méthane selon l'invention. Une cavité Fabry-Perot d'une diode laser oscille sur plusieurs modes séparés spectralement d'une valeur c Av = - comme représentés sur la Figure la avec 2nL L longueur de la cavité résonante c vitesse de la lumière dans le vide n indice de réfraction du milieu actif. La séparation intermodes de la diode laser de type Fabry-Perot est ainsi typiquement de l'ordre de 1 nm. La largeur spectrale d'un mode est de l'ordre de 0,1 pm, inférieure à la largeur de la raie d'absorption du méthane, qui est d'environ 10 pm, permettant ainsi de corréler aisément l'intensité lumineuse absorbée par le gaz à la concentration du gaz. La meilleure sensibilité du dispositif est obtenue en sélectionnant, par l'intermédiaire d'un filtre de type interférentiel ou interféromètre de Fabry-Perot, un seul mode d'oscillation dont la fréquence est modulée autour de la raie d'absorption du méthane. La largeur spectrale X du filtre interférentiel est donc de préférence un peu inférieure à l'espace intermode Av comme représentée en Figure 1 b. Une stabilisation en température grossière du filtre, de l'ordre de 20"C, est suffisante pour conserver ses caractéristiques de transmission autour de la longueur d'onde d'absorption du méthane. Le mode d'oscillation sélectionné est représenté en Figure 1 c. Le balayage en fréquence du laser est obtenu par application d'une rampe de température croissante puis décroissante variant par exemple entre +15"C et - 15"C autour d'un point de fonctionnement choisi légèrement au delà de la température ambiante, dans un souci de simplification du contrôle en température et avec une périodicité de l'ordre de la minute permettant de concilier le temps de mesure au temps de détection du méthane, donnant ainsi une excursion en longueur d'onde d'environ 2 nm crête-crête. La coïncidence de la longueur d'onde d'émission avec la raie d'absorption du méthane est ainsi assurée à chaque demi période. La figure 2 montre un dispositif selon l'invention. Le faisceau laser émis par la diode laser de type Fabry-Perot 4 traverse un filtre interférentiel 5 et vient rencontrer un premier miroir 6 semitransparent placé à 45" de l'axe d'émission de la diode. Le signal réfléchi traverse le gaz sous surveillance 7 pour atteindre un capteur de l'intensité du faisceau laser 8 par exemple du type photodiode ou phototransistor; c'est la voie de mesure.Le signal transmis rencontre un deuxième miroir 9 semi-transparent, également placé à 45" de l'axe d'émission, la partie réfléchie traversant une cellule de référence 10 remplie de gaz méthane avant d'éclairer un 2ème capteur 11 appelé détecteur de la voie de référence, la partie transmise éclairant un 3ème capteur 12 placé sur l'axe d'émission si l'on désire s'affranchir des variations de puissance de la diode laser alimentée par un dispositif d'alimentation 13. Lors du balayage de la fréquence laser réalisé par un dispositif de commande en température 14 et à chaque absorption détectée par la voie de référence à l'aide d'un circuit de mesure 15, la mesure effectuée sur la voie de mesure est prise en compte par ce même circuit. Le circuit de mesure 15 effectue également les corrélations et traitement du signal nécessaires. Le procédé peut être amélioré en sensibilité en modulant la fréquence autour de sa valeur lentement variable avec la température, par exemple en générant des rampes du courant d'injection de la diode laser dans le dispositif d'alimentation 13 et en utilisant conjointement des circuits de détection synchrone dans le circuit de mesure 15. Il peut également être amélioré en sensibilité en appliquant les techniques de spectroscopie photoacoustique, la modulation de l'intensité du faisceau laser se faisant aux fréquences acoustiques; le capteur 8 est alors non pas un photodétecteur, mais un microphone mesurant l'onde de pression créée par l'échauffement du gaz, lui-même provenant de l'absorption des photons par ce gaz.Une troisième méthode pour améliorer la sensibilité consiste à augmenter d'une manière artificielle la longueur du trajet absorbant du gaz sous surveillance 7, par exemple en utilisant une cellule de White, ce qui revient à replier le faisceau laser et ainsi à augmenter jusqu'à 10 fois ou même 50 fois la longueur du trajet élémentaire. II est également possible d'associer ces différentes techniques. II est ainsi possible d'obtenir des sensibilités de détection de méthane de l'ordre de 10-3 pour un trajet absorbant de 20 cm en utilisant la détection synchrone, sensibilités suffisantes pour des applications domestiques ou industrielles. Le mode de réalisation décrit précédemment n'est pas unique. Ainsi il est tout aussi envisageable d'utiliser le dispositif lorsque la cellule de référence n'est plus en parallèle mais en série avec le gaz à contrôler. La mesure de variation d'absorption se fait alors, toujours à l'emplacement du pic, par rapport à l'absorption du faisceau dans sa traversée dans l'air pur, la cellule de référence et le système optique. Le dispositif décrit est relatif à la détection du méthane. Il est tout aussi envisageable de réaliser un tel dispositif pour la détection d'autres gaz, le filtre interférentiel travaillant alors dans la bande d'absorption du gaz à détecter et le milieu témoin étant rempli du gaz à détecter. REVENDICATIONS 1 - Détecteur du gaz comportant une diode laser (4) pour émettre un faisceau laser au travers d'un milieu à surveiller (7) susceptible de recevoir ce gaz et un capteur de l'intensité du faisceau laser (8) pour mesurer son atténuation après sa traversée dans le milieu à surveiller (7), caractérisé en ce que la diode laser (4) est une diode laser multimode couplée à un filtre interférentiel (5) interposé sur le trajet du faisceau laser entre la diode laser (4) et le capteur (8) pour travailler dans la bande d'absorption du gaz à détecter. 2 - Détecteur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la diode multimode est une diode de type Fabry-Perot. 3 - Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande en température (14) permettant le balayage de la fréquence laser du mode sélectionné autour de la bande d'absorption du gaz à détecter. 4 - Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de mesure (15) réalisant la mesure de l'atténuation de l'intensité laser dans le milieu à surveiller (7) à la volée pendant le balayage de la fréquence laser, I'absorption des photons à travers un milieu témoin rempli du gaz à détecter (10) générant cette mesure. 5 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (15) corrèle les mesures effectuées à chaque balayage de la fréquence laser dans la bande d'absorption du gaz à détecter. 6 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli du gaz à détecter (10) et le milieu à surveiller (7) sont sur le même trajet du faisceau laser. 7 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli du gaz à détecter (10) est placé en parallèle avec le milieu à surveiller (7), le faisceau laser étant réparti en 2 faisceaux distincts traversant chaque milieu, à l'aide de miroirs semi-transparents (6, 9). 8 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure (15) comporte un circuit de détection synchrone, la modulation de fréquence du faisceau laser étant réalisée par variation du courant d'injection de la diode laser dans le dispositif d'alimentation (13). 9 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de White sur le trajet du faisceau laser traversant le milieu à surveiller (7). 10 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (8) est un dispositif de mesure photoacoustique pour mesurer la pression acoustique dans le milieu à surveiller (7). 11 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande passante du filtre interférentiel inclut la bande d'absorption du méthane. 12 - Détecteur de gaz comportant une diode laser (4) pour émettre un faisceau laser au travers d'un milieu à surveiller (7), susceptible de recevoir ce gaz et un capteur de l'intensité du faisceau laser (8) pour mesurer son atténuation après sa traversée dans le milieu à surveiller (7), caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de mesure (15) réalisant la mesure de l'atténuation de l'intensité laser dans le milieu à surveiller (7) à la volée pendant le balayage de la fréquence laser, I'absorption des photons à travers un milieu témoin constitué du gaz à détecter (10) générant cette mesure. 13 - Détecteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le circuit de mesure (15) corrèle les mesures effectuées à chaque balayage de la fréquence laser dans la bande d'absorption du gaz à détecter. 14 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli du gaz à détecter (10) et le milieu à surveiller (7) sont sur le même trajet du faisceau laser. 15 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli de gaz à détecter (10) est placé en parallèle avec le milieu à surveiller (7), le faisceau laser étant réparti en 2 faisceaux distincts traversant chaque milieu, à l'aide de miroirs semi-transparents (6, 9). 16 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que le circuit de mesure (15) comporte un circuit de détection synchrone, la modulation de fréquence du faisceau laser étant réalisée par variation du courant d'injection de la diode laser dans le dispositif d'alimentation (13). 17 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte une cellule de White sur le trajet du faisceau laser traversant le milieu à surveiller (7). 18 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 à 17, caractérisé en ce que le capteur (8) est un dispositif de mesure photoacoustique pour mesurer la pression acoustique dans le milieu à surveiller (7). 19 - Détecteur selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que le milieu témoin (10) est constitué de méthane.