Brevet FR2751750A1 — publié le 19980130

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'analyse à la fois qualitative et quantitative, en continu de la composition d'une atmosphère gazeuse contenant des particules de matière en suspension. D'une façon générale, on sait que pour analyser les particules en suspension dans l'air les procédés habituellement employés consistent à concentrer les particules, par exemple dans un filtre et à effectuer ensuite l'analyse de la matière retenue par le filtre. Il s'agit là d'un procédé d'analyse de type discontinu nécessitant, d'une part un dispositif de prélèvement par filtration de l'air et, d'autre part, un laboratoire pour l'analyse des filtrats. Un tel procédé ne permet donc pas d'effectuer une analyse en continu in situ fournissant des résultats instantanément. L'invention a donc plus particulièrement pour but d'atteindre ce résultat à l'aide d'un appareil portatif et autonome peu coûteux compte tenu de la nature des résultats qu'il permet d'obtenir. L'invention se base sur la constatation que lorsqu'on effectue l'analyse spectrophotométrique de la lumière émise par la flamme résultant de la 2 2751750 combustion d'un courant d'air chargé de particules dans de l'hydrogène, chaque particule produit un flash dont les émissions lumineuses peuvent être décomposées de manière à engendrer un spectre représentatif de la composition de la particule qui a produit le flash. Or, contrairement à l'analyse spectrophotométrique d'un spectre d'absorption, dans une analyse d'un spectre d'émission (spectrométrie atomique): - le nombre de produits identifiables est limité au nombre fini de produits qui réagissent optiquement dans la flamme, - le nombre de spectres de référence nécessaire pour l'identification des produits recherchés est également limité, - le problème des interférants se pose avec beaucoup moins d'acuité. L'invention se propose donc de tirer parti de toutes ces caractéristiques pour mettre au point un procédé pouvant être mis en oeuvre par un dispositif spectrophotométrique portatif et autonome relativement simple et peu coûteux. A cet effet, le procédé selon l'invention comprend les opérations suivantes: - la combustion en continu de l'atmosphère gazeuse (par exemple un courant d'air ambiant) à analyser dans un courant de gaz carburant (par exemple de l'hydrogène) à débit constant, - la décomposition du rayonnement lumineux de manière à obtenir en instantané un spectre lumineux, - l'échantillonnage périodique de l'ensemble de ce spectre et la conversion des échantillons en données numériques représentatives du spectre, 3 2751750 - la comparaison de ces données numériques avec des données numériques représentatives de spectres de référence préalablement mémorisées, l'identification d'un composé recherché lorsque la comparaison révèle une similitude entre les données numériques résultant de la susdite conversion et les données numériques représentatives d'un spectre de référence, - un comptage du nombre de fois qu'un même composant a été identifié pendant une période de temps prédéterminée de manière à déterminer la composition des particules en suspension dans l'atmosphère ainsi que leur nombre par unité de volume. La décomposition des émissions lumineuses pourra s'effectuer dans un spectrophotomètre pouvant faire intervenir: - des filtres interférentiels fixes associés à des détecteurs, - 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 fixe, - un interféromètre associé à un circuit de traitement effectuant une transformée de Fourrier. Avantageusement, le brûleur dans lequel s'effectue la combustion du mélange d'air et d'hydrogène pourra comprendre une optique focalisatrice du type de 4 2751750 celle décrite dans la demande de brevet FR N 96 00703 déposée au nom de la demanderesse, de manière à améliorer le rapport signal/bruit et pouvoir ainsi utiliser des photointensificateurs tels que, par exemple, des photomultiplicateurs. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un spectrophotomètre de flamme selon l'invention; La figure 2 est un schéma montrant un spectre d'émission et le système de détection optoélectronique permettant sa numérisation; La figure 3 est une représentation schématique d'une cellule de détection optoélectronique associée à un filtre interférentiel. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le spectrophotomètre de flamme fait intervenir un brûleur tubulaire 1 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 refermée 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. 2751750 Cette chambre de stabilisation 8 présente un orifice d'échappement latéral raccordé à un circuit d'échappement 1 muni d'une turbine aspirante 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 (prisme, réseau, filtre interférentiel) et un système de détection 16 pouvant comprendre une barrette de photodiodes intensifiées ou un photomultiplicateur relié à 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 dépression par la turbine 12 de manière à provoquer une aspiration du gaz à prélever dans le conduit d'admission 6. A l'intérieur de la buse 2, le flux de gaz aspiré 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. Pour s'affranchir des rayonnements lumineux engendrés par le dard 18 et donc du continuum, la lentille 10 est réglée de manière à obtenir l'image du dard 18 6 2751750 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. En outre, un masque 18' de même dimension est prévu pour interrompre la propagation des rayons lumineux émis par le dard 18 en direction de la fente. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le brûleur et l'optique focalisatrice sont représentés schématiquement par des blocs 25 et 26. L'élément dispersif (bloc 27) a été schématisé par un prisme qui engendre un spectre lumineux appliqué à l'entrée d'un intensificateur 28 tel qu'un photomultiplicateur multicanal. L'image du spectre ainsi intensifié est appliquée sur une surface photosensible constituée ici par une barrette de photodiodes 29. La sortie de chacune de ces photodiodes 29 est connectée à une cellule d'un registre de mémoire 30 par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique 31 qui fournit un signal numérique représentatif de l'intensité du rayonnement détecté par la photodiode 29. Le registre mémoire est piloté par un microcalculateur 32 qui en effectue périodiquement une lecture. Ce microcalculateur 32 comprend une mémoire 33 dans laquelle sont stockées des données relatives à une pluralité de spectres de référence correspondant aux éléments recherchés. Il compare les données contenues dans le registre au moment de chacune des lectures (spectre d'intensité en fonction de la longueur d'onde) aux données de référence et détecte les identités, voire les similarités, permettant d'identifier les composants du spectre produit à partir des émissions du brûleur 25 et donc les composants recherchés éventuellement présents. 7 2751750 L'algorithme utilisé pourra par exemple consister en un algorithme d'analyse multivoies de type connu, basé sur des traitements matriciels et statistiques. Chaque fois qu'il détecte un composant pendant la période d'émission d'un flash, il incrémente un compteur 34 qui permettra de déterminer le nombre de particules contenant le composant par unité de temps et donc la teneur de l'atmosphère analysée en ce composant: En effet, chaque particule passant dans la flamme produit un flash de durée limitée, de sorte qu'en réglant la fréquence de lecture (fréquence d'échantillonnage), il est possible d'établir une relation entre le nombre de fois que le microprocesseur identifie un composant et le nombre de particules passant dans la flamme. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi, au lieu d'utiliser une optique dispersive produisant le spectre d'émission de la flamme, il serait également possible de produire un faisceau lumineux de forme allongée, éventuellement intensifié et projeté sur une barrette de détection, comprenant par exemple comme représenté sur la figure 3 - un filtre interférentiel statique 35 dont le pouvoir filtrant varie en fonction de la longueur d'onde (ce filtre pouvant être constitué par la juxtaposition d'une multiplicité de filtres élémentaires), - une barrette de photodiodes 36 destinée à détecter le rayonnement lumineux passant au travers du filtre 35, et - éventuellement, une optique focalisatrice telle que par exemple un miroir incurvé 37, par exemple sphérique ou parabolique, permettant de concentrer le rayonnement lumineux filtré sur chacune des photodiodes 36. 8 2751750 De même, l'invention ne se limite pas à l'analyse de la composition et au comptage des particules présentes dans l'atmosphère: Elle permet également de déterminer la composition de l'atmosphère gazeuse par spectrophotométrie entre les périodes d'émission des flashes résultant de la combustion des particules. Dans le cas o la teneur de l'atmosphère en particules serait trop élevée pour permettre un comptage des particules, l'atmosphère pourra être diluée dans un courant de gaz additionnel. 9 2751750 Revendications 1. Procédé pour l'analyse de la composition d'une atmosphère gazeuse contenant des particules en suspension, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - la combustion en continu d'une atmosphère gazeuse à analyser dans un courant de gaz carburant à débit constant, - la décomposition du rayonnement lumineux de manière à obtenir en instantané un spectre lumineux, - l'échantillonnage périodique de l'ensemble de ce spectre et la conversion des échantillons en données numériques représentatives du spectre, - la comparaison de ces données numériques avec des données numériques représentatives de spectres de référence préalablement mémorisées, - l'identification d'un composé recherché lorsque la comparaison révèle une similitude entre les données numériques résultant de la susdite conversion et les données numériques représentatives d'un spectre de référence, - un comptage du nombre de fois qu'un même composant a été identifié pendant une période de temps prédéterminée de manière à déterminer la composition des particules en suspension dans l'atmosphère ainsi que leur nombre par unité de volume. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la susdite atmosphère consiste en de l'air ambiant, et en ce que le susdit carburant consiste en de l'hydrogène ou autre. 2751750 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre faisant intervenir des filtres interférentiels devant des détecteurs optoélectroniques sur lesquels les rayonnements lumineux sont focalisés. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre faisant intervenir 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). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre faisant intervenir une optique dispersive (prisme ou réseau) permettant de décomposer la lumière en un spectre lumineux détectable par un système de détection optoélectronique fixe. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre faisant intervenir un interféromètre associé à un circuit de traitement effectuant une transformée de Fourrier. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le spectre du rayonnement produit par la susdite combustion est photointensifié. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un brûleur équipé d'une optique focalisatrice, un élément dispersif du rayonnement lumineux focalisé qui engendre un 1il 2751750 spectre lumineux appliqué à l'entrée d'un intensificateur (28) qui produit une image intensifiée du spectre sur des moyens photosensibles optoélectroniques (25), un registre de mémoire stockant les données détectées par les moyens photosensibles et un microcalculateur ou d'une électronique qui effectue périodiquement la lecture dudit registre et qui compare les données ainsi lues à des données relatives à une pluralité de spectres de référence correspondant aux éléments recherchés, ce microprocesseur incrémentant un compteur (34) chaque fois qu'il détecte un composant grâce à la susdite comparaison pendant la période d'émission d'un flash.