Brevet FR2743885A1 — publié le 19970725

OPTIOUE FOCALISATRICE D'UN SPECTROPHOTOMETRE DE FLAMME. La présente invention concerne un spectrophotomètre de flamme à haute sensibilité, utilisable pour l'analyse d'une composition gazeuse contenant plusieurs éléments recherchés tels que du soufre et du phosphore. Habituellement, un spectrophotomètre de flamme se compose d'un brûleur dans lequel on provoque la combustion d'un mélange gazeux comprenant un courant de gaz à analyser (par exemple de l'air) et un courant d'hydrogène, ou autre comburant, de manière à réaliser une flamme dont les émissions lumineuses sont décomposables en un spectre lumineux dont l'analyse des raies permet de déterminer la nature et la concentration des éléments recherchés. Cette décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre pouvant faire intervenir - des filtres interférentiels mobiles défilant devant un détecteur optoélectronique sur lequel le rayonnement lumineux est focalisé, - un filtre interférentiel statique dont le pouvoir filtrant varie continûment en fonction de la longueur d'onde, ce filtre étant associé à une barrette de détecteurs (photodiodes), ou bien - une optique dispersive (prisme ou réseau) permettant de décomposer la lumière en un spectre lumineux détectable par un système de détection optoélectronique mobile ou fize, - un interféromètre, associé à un circuit de traitaient effectuant une transformation de Fourier. Dans le but d'augmenter la sensibilite des spectrophotoctètres de flamme, on a été amené a utiliser des chambres de combustion tubulaires (flamme manchonnee), habituellement cylindriques, disposées coaxialement å l'optique d'entrée du spectrophotomètre. Il s'avère que cette disposition qui est préférable aux solutions consistant à axer 1 'optique du spectrophotolétre perpendiculairement à l'axe de la chambre de combustion, présente néanmoins l'inconvénient d'observer la totalite de la flamine et d'obtenir à la sortie du ou des détecteurs, un signal présentant un niveau de bruit élevé. Ceci resulte du fait que la flamme engendre par la combustion est formée de deux parties, à savoir un dard relativement éclairant et un panache dans lequel se trouvent localises des zones d'émission lumineuses caractéristiques des éléments que l'on veut détecter. En conséquence, le spectre obtenu en focalisant l'émission lumineuse de la flamme à l'entrée d'un spectrophotomètre est en grande partie perturbé par l'émission lumineuse engendrée par le dard. Le spectre se présente alors sous la forme d'un continuum duquel émergent les raies caractéristiques des composants recherchés. La présence de ce continuum implique l'utilisation de moyens de filtrage complexes et rend particulièrement difficile l'amplification du signal de détection délivré par les détecteurs optoélectroniques du spectrophotomètre, au niveau requis pour l'obtention d'une bonne sensibilité. Ce problème se manifeste tout particulièrement dans le cas où, en raison de la faiblesse du signal lumineux détecté, il est necessaire d'utiliser des photointensificateurs, par exemple des photomultiplicateurs. En effet, dans ce cas, la détection du continuum provoque une augmentation du bruit du photomultiplicateur, ce qui dégrade les performances du montage. L'invention a donc plus particulièrement pour but de résoudre ce problème. A cet effet, elle propose un spectrophotomètre de flamme comprenant un brûleur présentant une chambre de combustion tubulaire, dans l'aie de laquelle se propage la flamme a analyser, cette chambre étant située dans 1 'axe d'une fenêtre coaxiale équipée d'une optique focalisatrice de manière à focaliser le rayonnement lumineux produit par la flamme sur l'orifice d'entrée d'un montage spectrophotomètrique pouvant utiliser des moyens de photointensi fication. Selon l'invention, ce spectrophotomètre est plus particulièrement caractérisé en ce que la susdite optique focalisatrice est conçue de manière à projeter l'image du dard de la flamme dans une zone située en amont de l'orifice d'entrée du montage spectrophotométrique et en ce qu'il comprend un masque de section sensiblement égale à celle de ladite image, disposé dans ladite zone pour occulter le rayonnement émis par le dard de manière a ce que l'orifice d'entrée du montage spectrophotomètrique ne reçoive pratiquement que le rayonnement émis par le panache de la flamme. Avantageusement, le susdit masque pourra consister en une bille tenue dans la susdite zone au moyen d'un fil. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-apres, å titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels La figure l est une représentation schématique d'un spectrophotomètre de flamme selon l'invention La figure 2 est un diagramme intensité/fréquence montrant un spectre présentant un continuum engendre par le dard de la flamme et un spectre correspondant obtenu grSce aux dispositions selon l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure l, le spectrophotomètre de flamme fait intervenir un brûleur tubulaire l comprenant deux buses coaxiales 2, 3 de différents diamètres et axialement décalées l'une par rapport à l'autre. Ces deux buses 2, 3 délimitent deux chambres successives, à savoir - une chambre de combustion 4 ouverte d'un côté et referéée de l'autre côté par un fond 5 traversé coaxialement par un conduit d'admission de gaz à analyser 6. Cette chambre 4 est par ailleurs reliée à un conduit d'injection d'hydrogène 7 qui traverse radialement la paroi longitudinale de la buse 2, - une chambre de stabilisation 8 dans laquelle débouche la chambre de combustion 4, cette chambre 8 étant refermée d'un côté sur la buse 2 et de l'autre côté par un opercule 9 présentant une ouverture circulaire coaxiale dans laquelle est montée une lentille 10. Cette chambre de stabilisation 8 présente un orifice d'échappement latéral raccordé à un circuit d'échappement il muni d'une turbine 12 actionnée par un moteur. La lentille 10 est conçue de manière à focaliser la lumière engendrée par le panache de la flamme qui se propage dans la chambre de combustion 4 sur la fente d'entrée 13 d'un montage spectrophotométrique 14, par exemple de type classique faisant intervenir un élément dispersif 15 (prise, réseau, filtre interférentiel) et un système de détection 16 pouvant comprendre une barrette de photodiodes intensifiées ou un photomultiplicateur reliée å un circuit de traitement 17. Le fonctionnement de ce spectrophotomètre est alors le suivant L'ensemble des deux chambres 4 et 8 est mis en depression par la turbine 12 de manière à provoquer une aspiration du gaz a prélever dans le conduit d'admission 6. A 11 intérieur de la buse 2, le flux de gaz aspire se mélange avec le courant d'hydrogène injecté de sorte qu'au sortir du conduit 6, on obtient une combustion engendrant une flamme qui se propage dans la chambre de combustion. Cette flamme comprend un dard 18, de petites dimensions mais relativement lumineux, qui se prolonge par un panache 19 s'étendant sur la quasi totalité de la longueur L de la buse 2. Il s'avère que l'émission des rayonnements lumineux caracteristiques des éléments recherchés sont localises dans des zones bien déterminées du panache 19. Ainsi, notamment, l'émission des rayonnements caractéristiques du phosphore s'effectue dans une région annulaire Z1 située dans la partie médiane L/2 de la chambre de combustion 4. Par contre, l'émission des rayonnements caractéristiques du soufre s'effectue dans une zone Z2 de forme ovoïde légèrement décalée vers 1 'avant du brûleur par rapport la zone Z1. Compte tenu de ces constatations, pour s'affranchir des rayonnements lumineux engendrés par le dard 18 et donc du continuum, l'invention propose - de régler la lentille 10 de manière à obtenir limage du dard 18 en amont de la fente 13 et l'image de la partie médiane du panache 19, au niveau de la fente 13 du montage spectrophotométrique 14, et - de disposer à l'emplacement de l'image du dard un masque 18' de mème dimension pour interrompre la propagation des rayons lumineux émis par le dard 18 en direction de la fente. Dans cet exemple, le masque 18' est constitué par une bille maintenue en position par un fil 20 dont les extrémités sont solidaires de la structure fixe du spectrophotométre. Avantageusement, le fil 20 sera monté sur un support 21 axialement reglable en position. La figure 2 montre en traits pleins la forme d'un spectre obtenu sans l'usage du masque précédemment décrit. Ce spectre comprend un continuum de bruit important 22, duquel émergent les raies R1 , R2 ... Rn correspondant aux éléments présents dans la composition gazeuse. La courbe en traits interrompus montre le spectre obtenu grâce à la presence du masque 18'. I1 apparaît clairement que ce spectre, dont les pics et les pieds apparaissent nettement, est plus facilement analysable numériquement. En outre, l'absence de continuum 22 permet l'utilisation de dispositifs photointensificateurs tels que des photomultiplicateurs au mieux de leurs performances de bruit. Revendications 1. Spectrophotomètre de flamme à haute sensibilité utilisable pour l'analyse d'une composition gazeuse contenant plusieurs éléments recherchés tels que du soufre et du phosphore, ce spectrophotomètre comprenant un brûleur (1) présentant une chambre de combustion tubulaire (4) dans l'axe de laquelle se propage la flamme à analyser, cette chambre (4) étant située dans 1 'aie d'une fenêtre coaxiale équipée d'une optique focalisatrice (10) de manière å focaliser le rayonnement lumineux produit par la flamme sur l'orifice d'entrée (13) d'un montage spectrophotometrique (14) pouvant utiliser des moyens de photointensification, caractérise en ce que la susdite optique focalisatrice (10) est conçue de manière à projeter l'image du dard (18) de la flamme dans une zone située en amont de l'orifice d ' entrée (13) du montage spectrophotométrique (14) et en ce qu'il comprend un masque (18') de section sensiblement égale a celle de ladite image, disposé dans ladite zone pour occulter le rayonnement émis par le dard (18) de manière å ce que l'orifice d'entrée (13) du montage spectrophotométrique (14) ne reçoive pratiquement que le rayonnement émis par le panache (19) de la flamme. 2. Spectrophotomètre de flamme selon la revendication 1, caractérisé en ce que le susdit masque (18') consiste en une bille tenue dans la susdite zone par un fil (20). 3. Spectrophotomètre de flamme selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fil (20) est monté sur un support (21) axialement réglable en position.