Brevet FR2736434A1 — publié le 19970110

SPECTROPHOTOMETRE PORTATIF ET AUTONOME POUR L'ANALYSE SPECTRALE AUX ULTRAVIOLETS, D'ECHANTILLONS LIOUIDES. La présente invention concerne un spectrophotomètre portatif et autonome pour l'analyse spectrale aux ultraviolets, d'échantillons liquides dont on veut étudier la composition. On sait que les spectrophotomètres classiques font intervenir une source lumineuse qui éclaire, par l'intermédiaire d'une optique convergente, une cuve présentant, dans l'axe de la source, au moins deux parois opposées transparentes, cette cuve contenant le liquide à analyser. Le faisceau lumineux traversant la cuve est appliqué sur la fente d'entrée d'un spectrographe, par exemple par l'intermédiaire d'une lentille focalisatrice. Les ondes qui pénètrent à l'intérieur de ce spectrographe sont envoyées sur un élément dispersif (prisme, réseau...) qui les dévie différemment en fonction de leur longueur d'onde. Les ondes ainsi déviées sont alors focalisées et donnent ainsi, dans une zone de détection, une succession d'images de la source qui constitue le spectre de la radiation. Ce spectre est ensuite analysé - 2 - 2736434 grâce à un système optoélectronique de détection couplé à un circuit électronique de traitement. Il s'avère que les sources lumineuses utilisées dans les spectrophotomètres de laboratoire ont une consommation énergétique beaucoup trop importante pour être utilisables dans des appareils portatifs et autonomes. C'est la raison pour laquelle on a tenté d'utiliser des lampes flash de type classique qui, en raison de leur fonctionnement impulsionnel, sont beaucoup plus économes sur le plan énergétique. Toutefois, cette solution n'a pas permis d'obtenir de bons résultats, et ce, en raison des caractéristiques du rayonnement émis par le flash (mauvaises propriétés spectrales, présence de raies, faible énergie pour les hautes fréquences). En outre, l'arc développé dans la lampe flash est instable. Par ailleurs, les autres sources lumineuses utilisées pour effectuer en laboratoire des analyses spectrales UV, et en particulier les lampes à décharge dans des gaz, ne conviennent pas, a priori, à la réalisation d'appareils portatifs et autonomes fonctionnant de façon discontinue, du fait qu'ils exigent à chaque mise en service un cycle d'allumage comprenant successivement un préchauffage, l'émission d'une impulsion d'amorçage à haute tension, et une période de stabilisation plus ou moins longue avant d'atteindre un régime permanent suffisamment stable pour effectuer des mesures répétitibles. L'invention propose donc une solution permettant de surmonter ce préjugé et donc de réaliser des appareils portatifs de faibles dimensions et cependant à très grande autonomie, ces appareils utilisant des lampes à décharge présentant d'excellentes propriétés spectrales et dont la durée de vie est considérablement augmentée. - 3 - 2736434 Selon l'invention, cette solution consiste à utiliser une lampe à décharge comprenant, à l'intérieur d'une enceinte transparente aux UV renfermant un gaz sous basse pression, une cathode, une anode et des moyens de chauffage de la cathode, ainsi que des moyens d'alimentation en énergie électrique de la lampe, et qu'un circuit de commande apte à commander pour chacun des cycles d'analyses à effectuer, une séquence opératoire comprenant les phases suivantes: - l'application sur les moyens de chauffage de la lampe d'un courant permettant d'assurer un préchauffage de la lampe, cette application se poursuivant pendant une période de temps T1, l'application entre l'anode et la cathode de la lampe d'une impulsion de haute tension de durée T2 consécutive à T1, apte à provoquer l'amorçage de la lampe, - une fois l'amorçage réalisé, la régulation de l'énergie électrique appliquée à la lampe pour la maintenir à une valeur nominale et ce, pendant une période de temps T3 suffisante pour obtenir une stabilisation énergétique du rayonnement lumineux émis par la lampe, l'acquisition, par le système de détection optoélectronique, d'informations relatives au spectre engendré dans la zone de détection, cette acquisition se produisant en fin de la phase de régulation, lorsque le rayonnement lumineux émis par la lampe s'est stabilisé, l'interruption automatique de l'alimentation de la lampe à la fin de la phase d'acquisition. Il convient de noter que la stabilisation en température de la lampe n'est pas nécessaire dans le cas o la détection optoélectronique est effectuée à l'aide d'une barrette de diodes: dans ce cas, la lecture de cette barrette est quasiment instantanée. L'acquisition peut - 4 - 2736434 donc se faire avant la stabilisation pour peu que la temporisation soit très précise entre l'allumage de la lampe et la lecture. Avantageusement, la lampe utilisée pourra être une lampe Deutérium de type L 3381 de la Société Hamamatsu. Grâce à ces dispositions, il devient possible de réaliser un appareil d'analyse portable, de petite taille et qui présente cependant une grande autonomie avec une durée de vie de la lampe du même ordre que celle de l'ensemble de l'appareil (pas de changement de lampe à prévoir). Un tel appareil pourra être utilisé pour analyser "in situ" par exemple, des eaux résiduelles urbaines, des eaux industrielles, des eaux de ruissellement. Dans ce type d'application, l'analyse pourra porter sur la mesure des nitrates, des matières en suspension, des DBO (demandes biochimiques en oxygène), des DCO (demandes chimiques en oxygène), de carbone organique total, de l'azote, des détergents, du chrome VI, etc... Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques d'un spectrophotomètre, vu de dessus (figure 1) et vu de côté (figure 2); La figure 3 est un schéma synoptique du circuit électronique associé au spectrophotomètre illustré sur les figures 1 et 2; La figure 4 est un logigramme des commandes d'alimentation de la lampe et de l'acquisition des données recueillies sur la barrette de diodes photodétectrices du circuit d'analyse. - 5 - 2736434 Dans cet exemple, le spectrophotomètre fait intervenir un puits de cuve 1 dans lequel peuvent s'engager deux tubes à essais en matière transparente aux UV 2, 3, par exemple en quartz, contenant des échantillons de liquide dont on veut obtenir le spectre d'absorption. Ces deux tubes à essais 2, 3 sont éclairés par une source lumineuse 4 pouvant consister en une lampe Deutérium, par l'intermédiaire d'une lentille convergente L1 conçue de manière à former l'image de la zone de décharge de la lampe 4 au niveau de la fente d'entrée F d'un spectrographe SP. Ce spectrographe comprend essentiellement un miroir concave MC apte à réfléchir le rayonnement incident provenant de la fente sur un réseau réflectif R. Celui-ci est placé de manière à réfléchir le faisceau lumineux en le décomposant (par déviation) en fonction des longueurs d'ondes des rayonnements qui le compose sur le miroir concave MC. Ce dernier renvoie le faisceau lumineux décomposé sur une barrette de diodes photosensibles DP placée dans le plan focal image du système optique fente F/miroir concave MC. De ce fait, au lieu d'obtenir au niveau de ce plan focal image, une image unique de la fente F, comme ce serait le cas si l'on supprimait le réseau R, on obtient une multiplicité d'images s'échelonnant en fonction des longueurs d'ondes, cette succession d'images constituant le spectre que l'on veut analyser. Les informations délivrées par la barrette sont alors transmises à un circuit de traitement CT à microprocesseur conçu de manière à déterminer et à afficher, par exemple sur un afficheur AF, la teneur des échantillons en éléments recherchés. - 6 - 2736434 Sur la figure 2, la lampe 4 a été représentée schématiquement par un tube renfermant un gaz sous basse pression et comprenant une anode et une cathode K comprenant un filament thermoélectrique FT dans lequel peut circuler un courant de chauffage. L'énergie électrique nécessaire au fonctionnement de l'appareil est assurée par une source de courant S remplaçable (piles) ou rechargeable (batteries). Cette source S alimente directement le circuit de traitement à microprocesseur CT ainsi que les organes de dialogue AF qui lui sont associés (afficheur, clavier, imprimante, voire même transmetteur téléphonique ou radio). L'alimentation de la lampe s'effectue par l'intermédiaire d'un ensemble sélecteur/convertisseur/régulateur 6 piloté par le circuit de traitement CT et comportant trois circuits d'alimentation, à savoir: - un circuit d'alimentation 7 du filament FL de la lampe 4 qui délivre un courant basse tension, par exemple de 12V en vue d'effectuer la phase de préchauffage, un circuit convertisseur 8 apte à délivrer une impulsion de surtension (500 à 600V) entre anode A et cathode K en vue de réaliser l'amorçage de la lampe 4, - un circuit d'alimentation 9 régulé en puissance qui permet de maintenir le point de fonctionnement de la lampe 4 (tension/intensité) dans la zone de décharge luminescente, après l'amorçage. Le circuit de traitement à microprocesseur CT est en outre conçu de manière à procéder à des échantillonnages des informations détectées par la barrette de diodes DP. Cet échantillonnage s'effectue lors de chaque cycle d'analyse en fin de période de stabilisation de - 7 - 2736434 l'émission lumineuse de la lampe 4 conformément au logigramme illustré sur la figure 4 dans lequel il apparaît que: - à l'instant to o l'opérateur enclenche un cycle d'analyse par exemple en appuyant sur un poussoir du clavier AF, le circuit d'alimentation 7 applique sur le filament FT un courant de préchauffage pendant une période TO par exemple de 10 secondes (courbe Cl), - à un instant to + TO - El, le circuit convertisseur 8 applique entre l'anode et la cathode de la lampe une impulsion de surtension I de durée E qui provoque l'amorçage de la lampe et l'établissement d'une décharge (courbe C2), - à l'instant tl = to + TO, le circuit d'alimentation 9 prend le relais du circuit convertisseur 8 pour appliquer entre cathode K et anode A un courant régulé en puissance maintenant le point de fonctionnement de la lampe sur un point fixe de la courbe de décharge luminescente normale (V/I) de la lampe (courbe C3): cette application de courant régulé est maintenue jusqu'à un instant T3 pendant une période de temps T1 par exemple de 2 secondes au cours de laquelle on obtient une stabilisation de l'énergie lumineuse émise par la lampe 4 (courbe C4), - à un instant t2 = t3 - E2, le circuit de traitement CT commande un échantillonnage des informations détectées par la barrette de diodes (courbe C5): cet échantillonnage peut, par exemple, comprendre le transfert des données délivrées par les diodes DP dans un registre tampon et la lecture de ce registre par le microprocesseur inclus dans le circuit CT: le circuit CT peut alors effectuer le traitement des données qu'il vient de lire en vue de déterminer la composition de l'échantillon de liquide, - à l'instant t3, le circuit CT commande l'interruption de l'alimentation de la lampe 4. - 8 - 2736434 Il apparaît donc que pour chacune des séquences d'analyse, la lampe 4 subit un cycle complet d'allumage et ne reste allumée que pendant le temps strictement nécessaire pour effectuer l'échantillonnage. Grâce à ces dispositions, il devient possible d'utiliser, en mode discontinu, une lampe 4 destinée à fonctionner en continu et qui présente une grande pureté spectrale. De ce fait, on réduit considérablement la consommation énergétique de l'appareil et on augmente donc en conséquence son autonomie. Par ailleurs, on s'affranchit des problèmes dus aux émissions calorifiques de la lampe 4, ce qui permet d'atteindre une très haute miniaturisation (absence d'éléments dissipateurs de chaleur). Avantageusement, il sera possible d'asservir le courant de chauffage appliqué au filament FT de la lampe 4 pour tenir compte de la température ambiante mesurée par un capteur de température DT. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi, par exemple, l'appareil pourra avantageusement comprendre une cuve 1 pouvant recevoir aussi bien des échantillons liquides contenus dans des récipients transparents qu'un interface optique permettant, grâce à des fibres optiques, de transmettre le rayonnement lumineux émis par la lampe 4 à un organe d'exposition extérieur pouvant être disposé "in situ" par exemple dans un écoulement de liquide, et d'appliquer le rayonnement transmis par le liquide sur la fente F du spectrographe SP. - 9 - 2736434 Revendications 1. Spectrophotomètre portatif et autonome pour l'analyse spectrale d'échantillons liquides dont on veut étudier la composition, ce spectrophotomètre faisant intervenir une source lumineuse (4) éclairant le liquide à analyser, le faisceau lumineux traversant le liquide étant transmis sur la fente d'entrée (F) d'un spectrographe (SP) qui comprend un élément dispersif (R) permettant d'engendrer un spectre sur un système optoélectronique de détection (DP) couplé à un circuit électronique de traitement (CT), caractérisé en ce que la source lumineuse (4) consiste en une lampe à décharge comprenant, à l'intérieur d'une enceinte transparente renfermant un gaz sous basse pression, une cathode (K), une anode (A) et des moyens de chauffage (FT) de la cathode (K), ainsi que des moyens d'alimentation en énergie électrique (S, 7, 8, 9) de la lampe (4) et un circuit de commande apte à commander pour chacun des cycles d'analyses à effectuer, une séquence opératoire comprenant les phases suivantes: l'application sur les moyens de chauffage de la lampe d'un courant permettant d'assurer un préchauffage de la lampe (4), cette application se poursuivant pendant une période de temps (T1), - l'application entre l'anode (A) et la cathode (K) de la lampe (4) d'une impulsion de haute tension de durée (T2) consécutive à (T1), apte à provoquer l'amorçage de la lampe (4), - une fois l'amorçage réalisé, la régulation de l'énergie électrique appliquée à la lampe (4) pour la maintenir à une valeur nominale et ce, pendant une période de temps (T3) suffisante pour obtenir une stabilisation énergétique du rayonnement lumineux émis par la lampe (4), - 10 - 2736434 - l'acquisition, par le système de détection optoélectronique (DP), d'informations relatives au spectre engendré dans la zone de détection, l'interruption automatique de l'alimentation de la lampe (4) à la fin de la phase d'acquisition. 2. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite acquisition se produit en fin de la phase de régulation, lorsque le rayonnement lumineux émis par la lampe (4) s'est stabilisé. 3. Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite acquisition s'effectue avant la stabilisation thermique de la lampe, après une période de temps précise suivant l'allumage de la lampe (4). 4. Spectrophotomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la susdite lampe (4) est une lampe Deutérium. 5. Spectrophotomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des organes de dialogue associés au circuit de commande et de traitement (CT) d'informations tel qu'un afficheur, un clavier (AF), une imprimante et/ou un transmetteur téléphonique ou radio. 6. Spectrophotomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant d'asservir le courant de chauffage appliqué aux susdits moyens de chauffage (FT) en fonction de la température ambiante mesurée par un capteur de température (DT). - 11 - 2736434 7. Spectrophotomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit circuit de commande et le circuit électronique de traitement (CT) sont gérés par un même microprocesseur.