Brevet FR2726084A1 — publié le 19960426

DETECTEUR DE GAZ A ABSORPTION DE LA LUMIERE UTILISANT UNE SOURCE LARGE BANDE SPECTRALE. La présente invention concerne un appareil de détection de gaz, tel que le méthane, destiné à la détection et à la mesure de la concentration d'un gaz, fondée sur le principe d'absorption différentielle de la lumière. Quel que soit le milieu, industriel ou domestique, la détection de gaz présente une sécurité des personnes et des lieux, en particulier lorsque le gaz s'avère inflammable et explosif. Les méthodes d'analyse et de détection développées à ce jour sont nombreuses et variées. On peut citer par exemple, le domaine des oxydes semi-conducteurs dopés utilisant la variation de leur conductance en fonction de la nature et de la concentration des gaz à détecter ou encore celui de la spectroscopie optique à l'aide de diodes laser. La première méthode dite physico-chimique, peu sélective, consomme beaucoup d'énergie, nécessite un étalonnage fréquent et un temps de mise en chauffe de plusieurs jours. La méthode de spectroscopie optique, à l'aide de diodes laser, emploie une diode coûteuse en raison de sa complexité technologique et de la spécificité de sa longueur d'onde en fonction du gaz à détecter. Cette dernière approche nécessite également une source d'énergie importante destinée à asservir la longueur d'onde du mode laser autour de la raie d'absorption du gaz. La présente invention propose un dispositif qui consomme moins d'énergie, dans un but d'autonomie, permet une détection plus rapide, et par sa conception électronique plus simple, offre une meilleure stabilité dans le temps, et un coût moins élevé que ceux existants aujourd'hui sur le marché. Elle possède par ailleurs de très bonnes fiabilité, robustesse et sélectivité du gaz, comparables par exemple aux solutions à spectroscopie optique par diodes laser. Pour ce faire, l'invention comporte une source émettrice de lumière large bande spectrale émettant un faisceau à travers un dispositif (filtre interférentiel) qui en sélectionne une fine bande, et permet de déplacer cette sélection spectrale de part et d'autre de la raie d'absorption du gaz. Ce dispositif est réalisé par un filtre interférentiel passe bande de longueur d'onde proche de celle de la bande d'absorption du gaz, auquel on impose un mouvement angulaire de rotation ou pendulaire. L'invention comporte aussi un circuit de détection mesurant l'atténuation de l'intensité du faisceau traversant d'une part le milieu à contrôler, et d'autre part un milieu témoin qui peut-être rempli du gaz à détecter. Ces deux voies de mesures peuvent être ou non séparées. Un des avantages de cette invention est d'utiliser une source lumineuse large bande telle qu'une diode électroluminescente ou une lampe halogène (un peu plus consommatrice d'énergie), dont la technologie éprouvée entraîne un coût réduit, plus faible par exemple, que la solution utilisant un laser monomode de type D.F.B. (Distributed FeedBack) ou multimode de type Fabry-Pérot, composants qui nécessitent une technologie de fabrication plus complexe. L'utilisation d'une telle source émettrice permet de s'affranchir d'une régulation en longueur d'onde délicate à mettre en oeuvre et consommatrice d'énergie puisqu'elle est généralement réalisée par résistance chauffante ou élément Peltier associé à un asservissement du type P.I.D. (Proportionnel Intégrateur Dérivé). Un autre avantage de cette invention réside dans la rapidité de la détection. En effet, l'utilisation du mouvement d'un filtre interférentiel pour réaliser le balayage spectral d'une bande passante permet une mesure, donc une détection beaucoup plus rapide que dans le cas où le balayage est effectué par variation thermique de plusieurs degrés d'une diode laser nécessitant un temps de stabilisation en température important (de l'ordre de la minute). La stabilité dans le temps du détecteur de gaz, fixée en grande partie par la source émettrice, reste meilleure dans le cas de l'utilisation d'une diode électroluminescente que dans celui d'une diode laser. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite au regard des figures et des dessins annexés les figures 1.a, l.b illustrent le principe de la variation de la longueur d'onde centrale d'un filtre interférentiel en fonction de l'angle incident du faisceau. les figures 2.a, 2.b, 2.c, 2.d et 2.e montrent le principe de filtrage qui permet à l'aide d'une source large bande spectrale de réaliser une fine bande spectrale que l'on corrèle avec la raie d'absorption du gaz. la figure 3 est un schéma synoptique du dispositif de mesure du méthane selon l'invention. la figure 4 est le résultat de détection selon un exemple de l'invention. Tout filtre diélectrique Fabry-Pérot (filtre interférentiel), référencé [1] sur les figures l.a et l.b voit sa longueur d'onde centrale diminuée lorsque l'angle incident alpha du faisceau [2] augmente. Cette variation est fonction de l'angle incident du faisceau et de l'indice effectif du filtre. La formule qui suit donne une bonne approximation de la longueur d'onde filtrée Xi avec une source colimatée arrivant avec un angle d'incidence alpha (a) avec la normale au filtre. BO = longueur d'onde du filtre à incidence normale ki = longueur d'onde du filtre à incidence a Ne = Indice de réfraction du milieu Nfi = Indice de réfraction du filtre a = angle d'incidence. Une détection par absorption différentielle de la lumière comprend une source lumineuse dont le spectre [4] représenté sur la figure 2.b possède une bande passante suffisamment large référencée A2 pour couvrir aisément la partie intéressante du spectre d'absorption du gaz [3] de largeur référencée Ai sur la figure 2.a. Pour prétendre à une sensibilité correcte du détecteur, on choisira un filtre interférentiel [5] dont la largeur spectrale à mi-hauteur peut-être légèrement supérieure à la raie du gaz, largeur référencée A3 sur la figure 2.c. Sa longueur d'onde centrale Xfi sera supérieure à celle de l'absorption du gaz, Xg, d'une valeur référencée A4 sur la figure 2.d. Pour corréler l'intensité lumineuse absorbée par le gaz à la concentration du gaz, on effectuera, par l'inclinaison du filtre, un balayage spectral d'une valeur référencée A5 sur la figure 2.e . Ce qui aura pour effet de translater la longueur d'onde Xfi en Xf2. Le signal issu du filtre est séparé en deux faisceaux. Le premier, transmis, traverse la zone à surveiller, pour atteindre un capteur, par exemple de type photodiode ou phototransistor qui en mesure son intensité: c'est la voie mesure. La seconde partie, réfléchie, appelée voie de référence, traverse une cellule remplie d'un gaz étalon avant d'éclairer un deuxième capteur. Les deux signaux provenant des voies de mesure et de référence, sont réalisés par corrélation du spectre d'émission avec celui de l'absorption. Ils sont mis en forme et comparés par un circuit de mesure qui a pour principales fonctions de s'affranchir des différences de sensibilité des capteurs, de la puissance et des bruits de la source lumineuse. A titre d'exemple, la figure 3 montre un dispositif de détection de méthane selon l'invention. La lumière large bande spectrale est émise par une diode électroluminescente [6] et transformée en faisceau parallèle à l'aide d'une lentille de colimation [7]. Ce faisceau traverse un filtre interférentiel [1] d'une largeur spectrale à mi-hauteur pouvant atteindre pour l'exemple, 0.5nm sans problème technique de réalisation. La largeur de la raie d'absorption du méthane dans la bande 2v3 (1.6 llm) étant de 0,3 nm en pratique. Ce filtre est mis en mouvement autour de son axe par un dispositif de mouvement angulaire de rotation ou pendulaire [8]. Le signal [17] issu du filtre [1] est séparé en deux faisceaux, par un miroir semiréfléchissant [9] placé à 45" par rapport à l'axe d'émission [2] de la diode. La voie de référence réalisée par le signal transmis [16] traverse la zone à surveiller [10], pour atteindre un capteur [14]. La voie de mesure définie par la partie réfléchie [15], traverse la cellule de référence [il] remplie de gaz étalon avant d'éclairer un deuxième capteur [12]. L'inclinaison du filtre d'environ 5 degrés pour notre application engendre une translation du spectre d'émission d'environ l nm de part et d'autre de la raie d'absorption du méthane. Les deux signaux, voie de mesure et voie de référence sont ensuite traités par le circuit de mesure [13] qui en réalise par exemple, le rapport. Le procédé peut être amélioré en sensibilité au moins de trois manières différentes qu'il est possible d'associer. On peut optimiser la bande passante du filtre interférentiel en optimisant sa largeur en fonction de la raie d'absorption du gaz. On peut moduler la puissance d'émission de la source en générant un courant d'injection en créneaux à travers la diode et utiliser conjointement des détections synchrones au niveau des détecteurs. Ceci nous permet en choisissant judicieusement la fréquence de modulation de s'affranchir du bruit en l/f, augmentant ainsi le rapport signal sur bruit, donc le taux de détection. On peut augmenter la longueur du trajet absorbant du gaz en utilisant par exemple, une cellule de White. Il est ainsi possible d'obtenir des sensibilités de détection de méthane meilleures que 100 000 ppm par mètre de trajet absorbant (qui représente environ 1% en volume) en utilisant la détection synchrone, sensibilités suffisantes pour des applications domestiques ou industrielles. C'est ce que montre la figure 4, où a été simulée à l'aide d'un outil mathématique, une détection selon l'invention avec les hypothèses suivantes - filtre interférentiel de largeur spectrale à mi-hauteur de 0,2 nm et d'indice de réfraction égal à 2 - raie d'absorption du méthane à 1645 nm avec un coefficient d'absorption de 0,4 cm-l.atm-l - inclinaison du filtre de 0 à 5 degrés - trajet absorbant de 10 cm de méthane à 1% de concentration, à pression atmosphérique - trajet de référence vierge de méthane. Le signal obtenu figure 4 est le rapport des deux signaux issus des détecteurs pendant la corrélation des deux spectres d'absorption et d'émission. Dans le cas d'absence de gaz, la ligne de base est continue et de valeur égale à 1. 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 détecter. 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. Comme les raies d'absorption de chaque gaz sont une signature de la nature de celui-ci, il est nécessaire d'adapter le système de détection, au niveau de la source émettrice, du filtre interférentiel et du milieu témoin. REVENDICATIONS 1- Appareil de détection de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: - une source lumineuse émettant un faisceau à large bande spectrale. - un dispositif permettant de sélectionner de ce faisceau, une bande passante et de déplacer cette sélection spectrale de part et d'autre de la raie d'absorption du gaz. -un dispositif de détection mettant en évidence l'absorption du faisceau lumineux par le gaz. -2- Appareil de détection de gaz selon la revendication précédente caractérisé en ce que le dispositif de sélection de la bande spectrale est un filtre interférentiel. -3- Appareil de détection de gaz selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de balayage de la bande passante soit réalisé par un mouvement angulaire de rotation ou pendulaire du filtre interférentiel, angle formé entre l'incidence du faisceau et la normale au plan du filtre. -4- Appareil de détection de gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode électroluminescente. -5- Appareil de détection de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la source lumineuse est une lampe halogène. -6- Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de mesure [13] qui détermine d'une part l'atténuation de l'intensité lumineuse du milieu à surveiller [10] et d'autre part celle du milieu témoin rempli d'un gaz étalon. -7- Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure [13] réalise le rapport entre l'atténuation de l'intensité lumineuse du milieu à surveiller [10] et celle du milieu témoin rempli du gaz à détecter -8- Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli du gaz à détecter [11] et le milieu à surveiller [10] sont sur le même trajet du faisceau lumineux. -9- Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le milieu témoin rempli du gaz à détecter [11] est placé en parallèle avec le milieu à surveiller [10], le faisceau lumineux étant réparti en 2 faisceaux distincts traversant chaque milieu, à l'aide d'un miroir semi-réfléchissant [9]. -10- Détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure [13] comporte un circuit de détection synchrone, la modulation de fréquence du faisceau lumineux étant réalisée par variation du courant d'injection de la diode. -11- 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 [10].