Brevet FR2713775A1 — publié le 19950616

La présente invention est du domaine de la détection des produits et/ou éléments à l'état gazeux. Elle vise plus précisément un procédé de détection de tels produits et/ou éléments à l'aide de leur spectre d'absorption optique. Les gaz peuvent être caractérisés par leur spectre d'absorption optique constitué de larges zones (de l'ordre de 100 nm, absorbantes que l'on désigne par bande, et qui sont, en règle générale, localisées dans l'infrarouge lointain (2 p-15 p) ou dans l'ultra-violet et par des raies isolées et très étroites (de largeur inférieure à 0,01 nm), ces raies étant réparties sur tout le spectre. Jusqu'à présent, la technique la plus répandue consistait à réaliser une absorption par bande, c'està-dire que l'on faisait traverser l'échantillon de gaz par un faisceau de lumière modulée dont l'atténuation était révélatrice de la présence d'un gaz absorbant la bande spectrale du faisceau. Les sources lumineuses utilisées dans cette technique sont de deux types, à savoir un corps noir filtré ou bien une diode électroluminescente émettant dans l'infrarouge. Dans les deux cas, la largeur spectrale du rayonnement impose de se placer dans l'infrarouge lointain. Ceci se traduit par des inconvénients du fait de la largeur spectrale qui peut conduire à un risque de confusion entre deux gaz et du fait de la largeur spatiale de la source qui donne lieu, d'une part, à une incompatibilité avec les fibres optiques, et d'autre part, à une utilisation restreinte à cause de la portée limitée de la source. Une autre technique, du domaine de la photoacoustique, consiste à placer un échantillon gazeux dans une chambre acoustique de fréquence de résonnance déterminée, après quoi on éclaire l'échantillon au moyen d'un faisceau spectralement absorbable, modulé à ladite fréquence déterminée. On mesure ensuite par un système de microphone l'augmentation périodique de la pression sonique, consécutive à l'échauffement. Cette technique présente les inconvénients, d'une part, qu'il n'est pas possible de réaliser des mesures à distance et, d'autre part, qu'on est obligé de réaliser au préalable des prélèvements de gaz. Une troisième méthode fait appel aux techniques interféronmétriques par transférée de Fournier en infra-rouge (IRFT), cette méthode interféronmétrique permettant de réaliser une spectrométrie dans un large domaine spectral, et ce avec une excellente résolution et un très bon rapport signal/bruit. Toutefois, les inconvénients résident, d'une part, que le prix de cette technique est relativement élevé et que, d'autre part, elle est incompatible avec un transport par fibre optique. On connaît également une méthode de détection des gaz mettant en oeuvre des diodes laser au plomb. En fait, une diode laser au plomb présente un rayonnement dont la longueur d'onde varie avec la température. Cette propriété est utilisée pour réaliser une spectrométrie dans un domaine spectral limité (1 à 2 Fm), avec une résolution acceptable (3 nm). Cette technique présente certains inconvénients, à savoir qu'il est nécessaire de réaliser des refroidissements puissants, étant donné que les températures de fonctionnement se situent dans la gamme de -180*C à -250'C, et que ces diodes multimode à saut de mode rendent impossible une détection de raies très fines. Un objet de l'invention est de fournir un procédé et un dispositif de détection des gaz, qui obvie aux inconvénients des techniques de l'art antérieur. La présente invention a donc pour objet un procédé pour la détection des produits et/ou éléments à l'état gazeux, caractérisée en ce que l'on utilise des moyens de mesure comportant au moins une diode laser monomode susceptible d'émettre dans le visible ou le proche infrarouge et que l'on accorde cette diode sur une raie fine du produit et/ou de l'élément gazeux à détecter. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la mesure d'absorption s' effectue sur un faisceau modulé en intensité. Dans un second mode de réalisation de l'invention, on module la longueur d'onde émise par la diode dans une très faible plage spectrale, après quoi on mesure le deuxième harmonique de la modulation d'intensité induite par la raie d'absorption. Dans un troisième mode de réalisation, on réalise une démultiplication spectrale par modulation à très haute fréquence, après quoi on mesure la différence de phase résultant de la dispersion d'indice de l'échantillon gazeux. L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure comportant au moins une diode laser monomode coopérant avec des moyens générateurs de courant d'alimentation et asservie en température par des premiers moyens régulateurs et en intensité par des seconds moyens régulateurs, des moyens de génération de surintensité étant prévus pour créer une modulation en longueur d'onde tandis que sont également prévus des moyens rétro-réflecteurs, éventuellement associés à une lame quart d'onde, et que sont prévus des moyens de focalisation associés à des seconds moyens détecteurs, sont prévus des moyens de transmission coopérant avec la photodiode de pilotage et la diode laser de façon à actionner par un signal issu des seconds moyens détecteurs un courant synchronisé sur la fréquence de modulation double. Le dispositif selon l'invention comporte également des moyens susceptibles d'émettre un signal d'alarme en fonction du signal issu des seconds moyens détecteurs. D'autres variantes et points caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, en référence au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma succinct d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de détection d'un produit et/ou élément à l'état gazeux selon la présente invention. Sur ce dessin, une diode laser monomode 1 émet un rayonnement selon la flèche f0 vers une lame semirefléchissante 2 qui distribue un premier rayonnement f1 dans la direction d'un rétroréflecteur 9, et distribue selon f2 un second rayonnement qui traverse un échantillon 4 avant de parvenir à un détecteur 3. Ce dernier émet un signal s qui, d'une part, selon sl pilote un dispositif régulateur de température et d'autre part, selon s2 sera traité par des moyens 7 de régulation de l'intensité. Une fois traités dans le dispositif 5, les signaux s1 sont transmis à un dispositif refroidisseur Peletier 6 associé à la diode laser 1. Par ailleurs, le signal s2 est traité dans un dispositif de régulation de l'intensité 7 et le signal ainsi traité coopère avec des moyens de génération 8 de la surmodulation d'intensité. Le faisceau f1, émergeant de la diode 1 a traversé directement la lame semi-réfléchissante 2 pour venir au contact d'un rétroréflecteur 9 après avoir traversé une lame quart d'onde 14 ; ce faisceau f3 traverse la lame 14 pour venir se réfléchir sur la lame 2 après quoi il est focalisé par l'intermédiaire d'une lentille 10 sur un détecteur 11 dont le signal s4 est transmis à des moyens de traitement 12 à l'intérieur desquels ils sont traités par comparaison avec les signaux s5 issus de la photodiode associée à la diode laser 1. A la suite, cette comparaison entre les signaux s4 et s5 à l'intérieur du dispositif de traitement 12, des moyens émettant un signal d'alerte 13 seront le cas échéant actionnés. On a également prévu un dispositif modulateurdémodulateur 15 qui est susceptible de mettre en évidence la dispersion induite par le gaz à détecter au voisinage de la longueur d'onde émise par la raie choisie. En fonctionnement, la diode est asservie en basse fréquence sur une raie d'absorption du gaz à mesurer. On vient alors créer un balayage haute fréquence de faible excursion en longueur d'onde au moyen d'une surintensité de courant. Le faisceau traverse l'échantillon gazeux en s'affaiblissant fortement à une fréquence double de la fréquence de balayage. Cette modulation à 2f est la signature du gaz recherché. Ceci apporte un certain nombre d'avantages tel qu'une insensibilité aux rayonnements ambiants ainsi qu'un excellent rapport signal/bruit grâce à la modulation haute fréquence. En tenant compte que dans les gaz, le voisinage d'une raie d'absorption est caractérisé par une très forte variation d'indice de réfraction. On démultiplie la raie spectrale émise par la diode 1 au moyen d'un modulateur 15 à très haute fréquence (au-delà de 100 MHz), que les différentes composantes spectrales se déphasent en traversant le gaz, puis après passage du modulateur-démodulateur interfèrent entre elles rendant ainsi accessible le déphasage et donc la dispersion spectrale du gaz. Le dispositif est compatible à une mesure à très longue distance étant donné que les lasers (et les diodes laser) de par leur cohérence sont les sources les mieux adaptées à la concentration de l'énergie et donc à la transmission longue distance. Le dispositif de l'invention est également compatible avec les fibres optiques étant donné que les diodes laser sont par excellence des sources facilement couplables sur fibres optiques. On pourra donc produire dans une "centrale" le faisceau lumineux modulé puis facilement l'acheminer sur les lieux de la mesure par fibre optique. Il est également possible d'utiliser la fibre optique comme capteur, et ce de deux manières en premier lieu, par la mesure de l'absorption d'un gaz en mettant alors en oeuvre une fibre à structure en "D" utilisée, en règle générale, pour conserver la polarisation. Des telles fibres, faiblement gainées, ont une forte pénétration extérieure d'ondes évanescentes, ces ondes seront absorbées par le gaz, générant ainsi des pertes dans la fibre. Et en ce second lieu, en mesurant l'élévation d'indice du gaz, en utilisant alors des fibres fluorées sans gaine, spiralées, leur perte augmentant alors avec l'augmentation d'indice L'utilisation de la fibre comme capteur permet grâce à un réflectomètre de connaître l'ensemble du profil de concentration du gaz le long de la fibre. En effet la présence du gaz modifie les pertes et donc "l'indice équivalent" de la fibre en générant localement une réflection. Par des méthodes réflectrométriques, il est facile d'observer le retour et d'en déduire le profil de concentration. Divers systèmes en série et en parallèle peuvent donc être alors conçus. Il est clair que l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus, qu'elle englobe toutes les modifications ou variantes issues du même principe de base, à savoir l'utilisation pour la détection de produits et/ou éléments à l'état gazeux d'une diode laser monomode susceptible de fonctionner dans le visible ou le proche infrarouge, cette diode étant accordée sur une raie fine du produit et/ou élément gazeux à détecter. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la détection de produits et/ou éléments à l'état gazeux, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre des moyens de mesure comportant au moins une diode laser monomode (1) susceptible de fonctionner dans le visible ou le proche infrarouge et que l'on accorde cette diode sur une raie fine du produit et/ou élément gazeux à détecter. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure d'absorption s'effectue sur un faisceau modulé en intensité. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on module la longueur d'onde émise par la diode (1) dans une très faible plage spectrale, après quoi on mesure la modulation synchronisée sur le deuxième harmonique d'intensité induite par la raie d'absorption. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise une démultiplication spectrale par modulation à très haute fréquence, après quoi on mesure la différence de phase résultant de la dispersion d'indice de l'échantillon gazeux. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure comportant au moins une diode laser monomode (1) coopérant avec des moyens générateurs (8) de courant d'alimentation et asservie en température par des premiers moyens régulateurs (5) et en intensité par des seconds moyens régulateurs (7), des moyens générateurs de surintensité étant prévus pour créer une modulation en longueur d'onde tandis que sont également prévus des moyens rétroréflecteurs (9) ainsi que des moyens de focalisation (10) des moyens de transmission coopérant avec la photodiode de pilotage et la diode laser de façon à actionner par un signal issu de moyens de traitement (12) des moyens de signal d'alerte (13), lesdits moyens de traitement (12) étant destinés à traiter à un courant synchronisé sur la fréquence de modulation double. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens rétro-réflecteurs (9) sont associés à une lame quart d'onde (14).