Brevet FR2761779A1 — publié le 19981009

L'invention concerne un dispositif de mesure d'absorption d'infrarouge comportant deux sources de rayonnement et deux détecteurs de rayonnement. Un dispositif de mesure de ce type est décrit dans le brevet allemand DE 195 20 488 Cl, dans lequel le gaz à mesurer s'écoule dans un guide creux qui sert de section de mesure; de façon générale, l'absorption d'un rayonnement infrarouge par le gaz à détecter représente une mesure de sa concentration. Ce dispositif de mesure connu présente l'inconvénient que l'intensité, à l'emplacement des détecteurs sensibles aux rayonnements, peut devenir très faible, en fonction du nombre de courbures à l'intérieur du guide creux. La présente invention a pour but de proposer un dispositif de mesure de concentration de gaz, en particulier de gaz explosifs ou de mélanges gazeux, fournissant des valeurs de mesure stables, en dépit de l'encrassement ou du recouvrement des surfaces optiques extérieures exposées aux gaz ou aux mélanges gazeux, et malgré d'éventuels désajustements mécaniques. Ce but est atteint par le fait que les deux détecteurs de rayonnement sont équipés, chacun, d'un concentrateur optique, et sont situés dans un boîtier étanche aux gaz, avec les deux sources de rayonnement identiques et avec un fractionneur de rayons, l'une des sources de rayonnement étant orientée, par l'intermédiaire d'une fenêtre transmettant l'infrarouge, en direction d'un miroir plan situé en-dehors du boîtier étanche aux gaz, et le rayon, réfléchi sur le miroir plan tombant ensuite, à travers la fenêtre transmettant l'infrarouge, sur le fractionneur de rayons, qui répartit aussi bien le rayonnement de la première source de rayonnement, réfléchi sur le miroir plan, sur les deux détecteurs de rayonnement, que le rayonnement de la deuxième source de rayonnement sur les deux détecteurs de rayonnement, le premier détecteur de rayonnement servant de détecteur de mesure et le deuxième détecteur de rayonnement servant de détecteur de référence. Le dispositif de mesure selon l'invention présente l'avantage essentiel qu'il constitue un appareil compact, résistant et adapté même à des conditions d'utilisation extrêmes. Des dispositifs de mesure selon l'invention sont généralement utilisés de façon stationnaire, en locaux industriels, afin de détecter, dans l'atmosphère, des substances nocives et/ou explosives, sous forme de gaz ou de vapeur, afin de protéger les personnes et les installations. Parmi les conditions d'utilisation habituelles, on peut, en outre, citer l'encrassement des équipements optiques par les aérosols et la poussière, la variation de l'humidité relative de l'air entre pratiquement 0 et presque 100 %, et des plages de températures entre - 40 C et + 70 C. De plus, la formation de cristaux de sel est fréquente, en particulier dans le domaine de l'off-shore, mais la protection des composants fragiles d'un dispositif optique de mesure de gaz par des filtres à poussière ou des membranes n'est pas souhaitable, car ceci gêne également la pénétration du gaz à mesurer, dans des cas de ce type. C'est pour cette raison que, dans ces cas d'utilisation, il est préférable d'utiliser ce que l'on appelle des systèmes de mesure ouverts, sans cuvette de mesure. La cuvette de mesure proprement dite n'est plus délimitée, pour ses faces frontales, que par la fenêtre transmettant l'infrarouge et par le miroir, sans délimitation latérale de la cuvette. L'objet selon l'invention permet de remplir une condition très importante, à savoir que le dispositif de mesure optique d'infrarouge fonctionne de façon durable, sans dérive et sans dysfonctionnement, pour de longues durées allant jusqu'à plusieurs années. L'objet selon l'invention concerne un dispositif de mesure optique d'infrarouge permettant de détecter la concentration de gaz, la section de mesure du gaz proprement dite étant ouverte. Dans le cas de détecteurs de gaz optiques, il est connu, pour compenser des réductions d'intensité mesurées du rayonnement infrarouge, qui ne sont pas dûes au gaz, d'utiliser deux détecteurs de rayonnement. Tandis que le premier détecteur ne mesure le rayonnement que dans une gamme d'ondes dans laquelle le gaz à détecter possède une bande d'absorption, le deuxième détecteur ne réagit qu'à un rayonnement émanant d'une gamme spectralement adjacente, dans laquelle le gaz n'absorbe pas. Le quotient de ces deux signaux ne varie que lorsqu'il y a présence de gaz à détecter dans la section de mesure de gaz. L'encrassement, et d'autres modifications non spectrales de la puissance de rayonnement, sont généralement censés affecter les deux détecteurs de la même façon, de sorte que le quotient reste constant dans ces cas-là. Cependant, même dans un montage comportant deux détecteurs, on peut constater des dérives provoquées par un encrassement du parcours des rayons. Etant donné que l'encrassement n'est généralement pas réparti de façon homogène sur la section20 de rayonnement, le fractionnement de la puissance de rayonnement dans l'espace est modifié, derrière l'élément optique encrassé, sur la section du système optique. En liaison avec l'asymétrie subsistante due au partage du rayonnement entre deux détecteurs, ceci entraîne une modification du quotient, et donc une dérive de l'affichage de l'appareil. L'invention propose un dispositif de mesure dont le système optique est insensible à la présence asymétrique de parasites dans le parcours des rayons. Le dispositif de mesure selon l'invention concerne, en particulier, ce que l'on appelle des analyseurs de l'infrarouge non- dispersifs présentant, du fait de l'utilisation de filtres d'interférence spécifiques aux gaz, avec une caractéristique passe-bande, une sensibilité transversale réduite à d'autres gaz contenus dans l'atmosphère ou à l'humidité de l'air. La construction de principe d'un dispositif de mesure selon l'invention va être expliquée, à l'aide d'un exemple d'exécution, en référence à la figure unique du dessin annexé. Le détecteur de gaz décrit est équipé de deux radiateurs thermiques identiques à bande large, dont le rayonnement, dans l'ensemble du domaine spectral émis, est respectivement collimaté au moyen d'un miroir parabolique. Une source de rayonnement 1 ou 2 complète est ici constituée d'un miroir parabolique et d'une lampe incandescente. Le rayon lumineux collimaté de la source de rayonnement 1 traverse un volume de gaz d'une longueur prédéterminée contenant le gaz à mesurer, pour rencontrer ensuite un fractionneur de rayons 5, derrière lequel sont montés deux détecteurs de rayonnement sélectifs 3 et 4. Devant le détecteur de rayonnement 3 se trouve un filtre d'interférence 100 présentant une caractéristique passe- bande, dont la bande de transmission spectrale se trouve dans la plage d'absorption du gaz à détecter. Dans la bande de transmission du deuxième filtre d'interférence20 10, qui est situé devant le deuxième détecteur de rayonnement 4, il n'y a aucune ligne d'absorption; ni du gaz à mesurer, ni d'autres gaz habituellement contenus dans l'atmosphère mesurée. La deuxième source de rayonnement 2 a un rayonnement direct, qui ne traverse pas le volume de gaz, aboutissant dans le fractionneur de rayonnement 5 identique, qui fractionne également les rayons de la première source de rayonnement 1 et les envoie sur les détecteurs de rayonnement 3, 4. La modulation des sources de rayonnement 1, 2 avec diverses fréquences et la démodulation des signaux du détecteur au moyen d'amplificateurs de blocage permettent la répartition des différents signaux, pour chaque détecteur de rayonnement 3 ou 4, entre chaque source de rayonnement 1 ou 2. Il est essentiel, pour le dispositif de mesure selon l'invention, qu'un concentrateur 14, 15 ne donnant pas une image fine de la source 1, 2 soit respectivement placé entre le fractionneur de rayons 5 et chaque détecteur de rayonnement 3 ou 4. Ces concentrateurs 14, 15 ont pour rôle de réunir les rayons parallèles et de réaliser une répartition uniforme des rayons dans le plan du cristal 110, 11, de préférence pyroélectrique, sensible au rayonnement. En fonction des prescriptions concernant le parcours spécial des rayons et/ou en fonction de la place dont on dispose dans l'appareil, les concentrateurs 14, 15 peuvent présenter un certain profil conique ou parabolique, ou se présenter sous la forme d'un CPC (Compound Parabolic Concentrator - Concentrateur Parabolique Composé). La surface intérieure 8 des concentrateurs 14, 15 est fortement réfléchissante. Les réflecteurs des sources de rayonnement 1, 2 et les concentrateurs 14, 15 ne forment qu'une seule pièce en matière synthétique 20 moulée par injection, avec un revêtement réfléchissant de la surface 8. Dans un fractionneur de rayons classique, les détecteurs ne sont pas exposés avec exactement la même répartition d'intensité dans l'espace, du fait des tolérances mécaniques, du manque d'homogénéité du profil des rayons, et de la divergence de rayonnement que l'on constate. Une variation de la répartition d'intensité dans l'espace, du fait de l'encrassement asymétrique du parcours des rayons, a donc des conséquences variables sur les détecteurs, et entraîne, de façon indésirable, une modification du quotient du signal de mesure et du signal de référence, et/ou à une dérive de l'affichage de l'appareil de mesure du gaz. L'utilisation de concentrateurs 14, 15 ne donnant pas une image fine de la source 1, 2 permet de mélanger et d'égaliser la répartition d'intensité dans l'espace à l'emplacement du détecteur de rayonnement 3 et 4, et la puissance de rayonnement constatée dans l'ouverture d'entrée du concentrateur 14 et 15 est concentrée immédiatement derrière l'ouverture de sortie du concentrateur 14 et 15, sur le cristal 110 et 11. Il est important que les rayons pénétrant dans les concentrateurs 14, 15 ne soient pas réfléchis à nouveau, en s'1éloignant des concentrateurs 14, 15 dans la direction inverse à leur direction d'origine. Un concentrateur 14 et 15 conique présente ainsi une longueur optimale, dont le dépassement, avec un angle de cône constant, n'entraîne aucune augmentation supplémentaire de l'efficacité optique. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des concentrateurs 14, 15 présentant une ouverture d'entrée de 15 mm de diamètre, un angle d'ouverture de 14 , une longueur de 20 mm, ainsi qu'une ouverture de sortie de 5 mm de diamètre, la taille de l'ouverture d'entrée étant adaptée à la section du faisceau lumineux utilisé et étant, en particulier, égale à celle-ci. Le faisceau lumineux présente cette section afin d'être insensible à des gouttes isolées et à des grains de poussière pouvant se déposer sur les surfaces optiques extérieures (miroir plan 13 fixé par des jambes 30, et fenêtre 12 transmettant l'infrarouge). L'angle d'ouverture est adapté à l'angle de champ visuel des détecteurs de rayonnement 3, 4 utilisés. Pour les détecteurs, de préférence pyroélectriques, cet angle est de 60 . Un rayon lumineux parallèle à l'axe optique, touchant la surface 8 réfléchissante dans la partie avant du concentrateur 14 ou 15, présente, après deux réflexions dans le concentrateur 14 ou 15, un angle maximum de 4 x 14 = 56 par rapport à l'axe optique. Lorsque les rayons lumineux pénétrants se réfléchissent plus de deux fois dans les concentrateurs 14, 15, en fonction de l'angle d'ouverture et/ou de l'angle de cône des concentrateurs 14, 15, l'angle formé avec l'axe optique du concentrateur optique 14 ou 15 est supérieur à , ce qui a pour conséquence que le rayon, dans la direction inverse par rapport à sa direction d'origine, est réfléchi hors du concentrateur 14 ou 15, dans sa direction d'incidence. Un concentrateur conique 14 ou 15 présente donc une longueur optimale lorsque son dépassement, avec un angle de cône constant, n'entraîne aucune augmentation du rendement de l'intensité optique. Le dispositif de mesure selon l'invention, expliqué à l'aide de la figure, est insensible aux perturbations de rayonnement asymétriques lorsque respectivement l'ensemble du rayonnement réfléchi et/ou transmis par le fractionneur de rayons 5 est envoyé dans le concentrateur 14 ou 15 associé, lorsque le maximum d'intensité, derrière le concentrateur 14 ou 15, est concentré complètement sur le cristal 11 ou 110, et lorsque la répartition d'intensité, dans le plan du détecteur, en cas de perturbation asymétrique du parcours du rayon, indique une réduction d'intensité localement déstructurée aussi régulière que possible. Un fractionnement géométriquement irrégulier des rayons, dans lequel, par exemple, 50 % de l'intensité est envoyée dans un concentrateur 14 ou 15, mais seulement % parvient dans l'autre, pour des raisons de désajustement mécanique, aurait pour conséquence que des perturbations du rayonnement asymétriques influencent également le quotient des intensités de rayonnement mesurées. Du fait de la présence du cache 6 placé devant le fractionneur de rayons 5, le faisceau lumineux parallèle pénétrant est limité de telle sorte qu'il tombe complètement dans le concentrateur 14 et 15, malgré un25 faible désajustement du parcours des rayons dû, par exemple, à des tolérances mécaniques, et malgré la divergence subsistante du faisceau. Il est important et avantageux, pour l'objet selon l'invention, d'utiliser un équipement optique ne donnant pas une image fine de la source pour assurer la concentration d'intensité dans le plan du détecteur. Cette caractéristique a pour conséquence que les dispositifs de mesure selon l'invention sont nettement moins sensibles aux désajustements mécaniques du parcours des rayons. Il en résulte que les produits en série sont nettement moins coûteux, car ils sont rendus moins sensibles d'un point de vue optique. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est apporté par le dispositif optique qui ne donne pas une image fine de la source par rapport à la position exacte du fractionneur de rayons 5. Ainsi, si le réflecteur parabolique basculait, ceci n'entraînerait que le déplacement d'un reflet de lumière peu structuré dans l'ouverture d'entrée du boîtier du fractionneur de rayons. Mais cet effet ne s'accompagne manifestement pas d'importantes pertes de signaux ou de modifications structurelles dans le plan du détecteur (aucun déplacement d'image). La concentration du rayonnement sur les détecteurs ne s'effectue, dans le système optique selon l'invention, qu'à la fin du parcours des rayons, à l'aide des concentrateurs 14, 15. En résumé, il est proposé un dispositif de mesure optique d'infrarouge, destiné à déterminer la concentration de gaz, dont le système optique est insensible aux perturbations asymétriques dans le parcours des rayons, et qui comporte les avantages liés à l'utilisation d'un détecteur de mesure et de référence à deux sources de rayonnement pour compenser les dérives de température et les effets du vieillissement. Revendications 1. Dispositif de mesure servant à détecter la concentration de gaz par absorption d'infrarouge, comportant deux sources de rayonnement et deux détecteurs de rayonnement, caractérisé en ce que les deux détecteurs de rayonnement (3, 4) sont équipés, chacun, d'un concentrateur optique (14, 15), et sont situés dans un boîtier (40) étanche aux gaz, avec les deux sources de rayonnement (1, 2) identiques et avec un fractionneur de rayons (5), l'une des sources de rayonnement (1) étant orientée, par l'intermédiaire d'une fenêtre (12) transmettant l'infrarouge, en direction d'un miroir plan (13) situé en-dehors du boîtier (40) étanche aux gaz, et le rayon, réfléchi sur le miroir plan (13) tombant ensuite, à travers la fenêtre (12) transmettant l'infrarouge, sur le fractionneur de rayons (5), qui répartit aussi bien le rayonnement de la première source de rayonnement (1), réfléchi sur le miroir plan (13), sur les deux détecteurs de rayonnement (3, 4), que le rayonnement de la deuxième source de rayonnement (2) sur les deux détecteurs de rayonnement (3, 4), le premier détecteur de rayonnement (3) servant de détecteur de mesure et le deuxième détecteur de rayonnement (4) servant de détecteur de référence. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les concentrateurs (14, 15) présentent un angle d'ouverture de 14 , une longueur de 20 mm, une ouverture d'entrée de 15 mm de diamètre, et une ouverture de sortie de 5 mm de diamètre. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les réflecteurs des sources de rayonnement (1, 2) et les concentrateurs (14, 15) ne forment qu'une seule pièce en matière synthétique (20) moulée par injection, avec un revêtement réfléchissant de la surface (8). 4. Dispositif de mesure selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les détecteurs de rayonnement (3, 4) sont, chacun, équipés d'un filtre d'interférence (10, 100) et d'un cristal (11, 110) de préférence pyroélectrique, le premier filtre d'interférence (100) présentant une caractéristique passe-bande, avec une bande de transmission spectrale dans la plage d'absorption du ou des gaz à détecter et aucune ligne d'absorption du gaz ne se trouvant dans la bande de transmission du deuxième filtre d'interférence (10).