Brevet FR2768816A1 — publié le 19990326

L'invention concerne un dispositif de mesure d'absorption d'infrarouge, comportant une source de rayonnement infrarouge et un détecteur de rayonnement infrarouge. Un dispositif de mesure de ce type, servant à la mesure non-dispersive de l'absorption d'infrarouge à l'aide d'une plage de mesure d'absorption fixe est décrit, par exemple, dans le document DE 3509532 C2. Avec ce type de dispositifs de mesure non- dispersifs, l'atténuation du rayonnement infrarouge absorbé par le gaz à déterminer, après avoir parcouru une plage d'absorption prédéterminée, représente une mesure de la concentration gazeuse. Le rapport entre l'intensité I, à l'extrémité de la plage d'absorption, et la concentration gazeuse C est décrit par la loi de Lambert-Beersche: I(C) =. exp(-e L. C) dans lesquelles: Io = intensité d'entrée; e = coefficient d'extinction L = plage d'absorption; C = concentration gazeuse Pour obtenir une sensibilité de détection élevée des appareils, il est important, premièrement, qu'un rayonnement infrarouge suffisant atteigne le détecteur d'infrarouge, afin que le bruit du détecteur ne soit pas trop fort et que, deuxièmement, l'intensité I (C) mesurée varie aussi fortement que possible lorsque la concentration C varie. On déduit de l'équation ci-dessus que, du fait de la position en indice, seul un faible rayonnement infrarouge atteint le détecteur de rayonnement infrarouge, en cas de concentrations élevées, et également que la variation du signal est faible, en fonction de la variation de la concentration gazeuse. En conséquence, pour obtenir une sensibilité de détection élevée, il faut adapter la plage d'absorption L à la concentration à mesurer, c'est-à-dire qu'il faut avoir de petites plages pour des concentrations élevées, et inversement. Ainsi, si la plage de concentration à mesurer varie largement, on a besoin, en fait, de deux cuvettes de mesure avec des plages d'absorption de longueurs très différentes. L'invention a pour but de fournir un dispositif de mesure d'absorption d'infrarouge au moyen duquel il soit possible de couvrir une plage de mesure élargie. Ce but est atteint grâce au fait que la source de rayonnement infrarouge présente, d'une part, une première trajectoire directe du rayon en direction du détecteur de rayonnement infrarouge et, d'autre part, une deuxième trajectoire du rayon, plus longue que la première, réfléchie, en direction du détecteur de rayonnement infrarouge. Un avantage essentiel de l'invention réside dans le fait qu'il est possible de mesurer, avec un dispositif unique, une large plage de mesure de différentes concentrations gazeuses, avec une bonne sensibilité de mesure. Avantageusement, le dispositif est monté dans une cuvette pour le gaz de mesure qui est tubulaire et métallisée à l'intérieur, le détecteur de rayonnement infrarouge étant placé sur l'un des deux chants et la source de rayonnement infrarouge étant placée sur un grand côté de la cuvette pour le gaz de mesure. De préférence, la source de rayonnement infrarouge 3 est placée dans le foyer d'un miroir ou à proximité du foyer, et le détecteur de rayonnement infrarouge se trouve à une plus grande distance du miroir que la source de rayonnement infrarouge, le détecteur de rayonnement infrarouge recevant aussi bien le rayonnement réfléchi par le miroir que le rayonnement non-réfléchi de la source de rayonnement infrarouge. De façon avantageuse, l'intensité lumineuse de la source de rayonnement infrarouge est répartie entre les deux trajectoires du rayon au moyen de diaphragmes, de préférence selon un rapport d'intensité de 1: 1. De façon préférée, les derniers 3 à 6 mm de la surface intérieure de la cuvette tubulaire pour le gaz de mesure sont revêtus d'une couche antireflet. Deux exemples d'exécution de l'invention vont maintenant être décrits en référence au dessin dans lequel: La figure 1 représente une première forme d'exécution de l'invention et la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention. L'exemple d'exécution selon la figure 1 représente un dispositif selon l'invention, se présentant sous la forme d'une cuvette 1 pour le gaz de mesure qui est unique et cylindrique ou tubulaire. Contrairement à l'exemple de la figure 2, il s'agit d'un système ne produisant pas d'image. La cuvette 1 pour le gaz de mesure est essentiellement constituée d'un tube métallisé à l'intérieur et fermé, comportant une entrée de gaz non représentée. A l'extrémité droite, sur la figure 1, ce tube est fermé par une surface également métallisée, par exemple par un miroir plan 2. La source de rayonnement infrarouge 3, qui est habituellement une lampe à incandescence adaptée, est espacée d'environ 1 à 2 cm du détecteur de rayonnement infrarouge. Le rayonnement infrarouge dirigé vers l'avant, c'est-à-dire vers la gauche à la figure 1, touche directement le détecteur de rayonnement infrarouge 4 équipé de filtres correspondants; le rayonnement infrarouge dirigé vers l'arrière, c'est-à-dire vers la droite à la figure 1, aboutit à l'extrémité du tube, est réfléchi plusieurs fois, revient et touche alors le détecteur de rayonnement infrarouge 4 équipé de filtres correspondants, cette deuxième trajectoire du rayon étant naturellement nettement plus longue que la première. La répartition du rayonnement infrarouge entre les deux différentes trajectoires du rayon est réalisée, de préférence, au moyen de diaphragmes non représentés, de préférence selon une répartition de 1: 1 entre les deux trajectoires du rayon. Dans le cas d'une telle répartition égale du rayonnement infrarouge entre les deux trajectoires du rayon, le dispositif peut être représenté de façon simplifiée comme un montage parallèle de deux cuvettes avec des trajectoires d'absorption L^ et LB différentes, et, en ce qui concerne l'intensité en fonction de la concentration, de la façon suivante: I(C) = 1/2.(IO.exp(-e.LA.C) + IO.exp(-e.LB.C) Des mesures ont confirmé que la répartition du rayonnement conformément à l'invention permettait, d'une part, d'élargir la plage de mesure et, d'autre part, d'améliorer, c'est-à-dire d'augmenter la sensibilité de mesure, c'est-à-dire la variation du signal d'intensité en fonction de la variation de la concentration. Les dimensions du dispositif optique selon l'invention dépendent de la plage de mesure requise. L'écart entre le détecteur de rayonnement infrarouge 4 et le miroir plan 2 (LI à la figure 1), c'est-à-dire la moitié de la plus longue section d'absorption, est déterminé par la limite inférieure de la concentration à mesurer, étant donné qu'il est nécessaire de disposer de longueurs d'absorption importantes pour de faibles concentrations: pour prendre un exemple représentatif, à savoir la mesure de concentration de C021, une section d'absorption de 0,5 à 1 cm est optimale pour des concentrations situées entre 30 et 100 Vol. %; cependant, pour mesurer des concentrations allant jusqu'à un maximum de 100 ppm, une section d'absorption de 20 cm est bien adaptée. Le diamètre du miroir plan 2 est déterminé en fonction du rapport signalbruit requis. Plus le diamètre est important, plus le rayonnement touchant le détecteur de rayonnement infrarouge 4 est important. Cependant, le diamètre doit être calculé par rapport à la longueur du tube (L,), afin que l'angle selon lequel la lumière, provenant des bords du miroir plan 2, touche le détecteur de rayonnement infrarouge 4, ne soit pas trop oblique. Autrement, la plus grande partie de la lumière est réfléchie sur le ou les filtre(s) d'interférence non représenté(s) placé(s) devant le détecteur de rayonnement infrarouge 4, et entraîne un décalage de la longueur d'onde centrale de ce filtre. Dans un exemple représentatif, la longueur de tube (LI) est, de préférence, d'environ 100 à 200 mm, la longueur L2 est d'environ 10 à 20 mm et le diamètre du tube est également d'environ 10 à 15 mm. Si ce diamètre est trop petit, la taille de la source de rayonnement infrarouge 3 est gênante. Si le diamètre est trop grand, l'intensité lumineuse est trop faible au niveau de la face frontale du détecteur, à cause de la surface importante. De préférence, une surface intérieure 5 annulaire de la cuvette 1 pour le gaz de mesure est revêtue d'une couche antireflet sur les derniers 3 à 6 mm du tube. Ceci présente un avantage pour diaphragmer des rayons marginaux qui tombent selon un angle très aigu sur le détecteur de rayonnement infrarouge 4 et qui peuvent influencer le résultat de mesure. Dans ce cas, la section d'absorption longue, c'est-à-dire la trajectoire longue du rayon est, du fait de la réflection sur le miroir plan 2, d'environ 2 35. Li, c'est-à-dire la trajectoire directe du rayon L2. La figure 2 représente un dispositif selon l'invention, comprenant un miroir 20 pourvu d'un revêtement réfléchissant, de préférence un miroir creux, ainsi qu'une source de rayonnement infrarouge 3 et un détecteur de rayonnement infrarouge 4 équipé de filtres correspondants, disposé de préférence dans le foyer de la source de rayonnement infrarouge 3. Ce dispositif peut être placé ou installé soit dans une cuvette remplie de gaz de mesure, non représentée, soit dans une atmosphère enrichie en gaz de mesure, pour former, par exemple, un dispositif de mesure portable ou mobile. Le diamètre D du miroir 20 ne doit pas être supérieur à la section L!, le miroir 20 réfléchissant, en direction du détecteur de rayonnement infrarouge 4, la totalité du rayonnement infrarouge de la trajectoire longue du rayon qui est émis par la source de rayonnement infrarouge 3. Si la valeur choisie pour le diamètre D est trop élevée par rapport à Li, le rayonnement infrarouge réfléchi touche le détecteur de rayonnement infrarouge 4 de façon trop oblique, et entraîne globalement une dégradation du signal de mesure. L'écart entre le détecteur de rayonnement infrarouge 4 et la source de rayonnement infrarouge 3 (section L2 aux figures 1 et 2) est déterminé par la plage de mesure supérieure de la concentration gazeuse à mesurer. La mesure de concentrations gazeuses très élevées exige une valeur L, très faible, de l'ordre de grandeur du diamètre de la source de rayonnement infrarouge 3. Dans ce cas, pour la forme d'exécution selon la figure 2, il faut que la source de rayonnement infrarouge 3 soit décalée hors de l'axe optique, car, autrement, elle cache la lumière réfléchie par le miroir 20. Cependant, habituellement, on choisit L, = 1/2 LI, afin d'obtenir une qualité de mesure constante dans toute la plage de mesure des concentrations à détecter. Autrement, pour les rapports extrêmes, par exemple L, = 0,1. Lm, la qualité de mesure est mauvaise dans la plage moyenne, car les plages de mesure inférieure et supérieure ne se recouvrent alors plus. Une fois les valeurs L, et L, fixées, il est possible de déterminer la focale du miroir 20 à partir de la condition souhaitée que l'image de la source de rayonnement infrarouge 3 apparaisse sur le détecteur de rayonnement infrarouge 4. Dans un exemple concret de mesure de C02, L2 faisait approximativement 20 mm, L, entre approximativement 50 et 100 mm et le diamètre D du miroir 20 faisait approximativement 30 mm. Revendications 1. Dispositif de mesure d'absorption d'infrarouge, comportant une source de rayonnement infrarouge et un détecteur de rayonnement infrarouge, caractérisé en ce que la source de rayonnement infrarouge (3) présente, d'une part, une première trajectoire directe du rayon en direction du détecteur de rayonnement infrarouge (4) et, d'autre part, une deuxième trajectoire du rayon, plus longue que la première, réfléchie, en direction du détecteur de rayonnement infrarouge (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est monté dans une cuvette (1) pour le gaz de mesure, qui est tubulaire et métallisée à l'intérieur, le détecteur de rayonnement infrarouge (4) étant placé sur l'un des deux chants et la source de rayonnement infrarouge (3) étant placée sur un grand côté de la cuvette (1) pour le gaz de mesure. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement infrarouge (3) est placée dans le foyer d'un miroir (20) ou à proximité du foyer, et en ce que le détecteur de rayonnement infrarouge (4) se trouve à une plus grande distance du miroir (20) que la source de rayonnement infrarouge (3), le détecteur de rayonnement infrarouge (4) recevant aussi bien le rayonnement réfléchi par le miroir (20) que le rayonnement non-réfléchi de la source de rayonnement infrarouge (3). 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'intensité lumineuse de la source de rayonnement infrarouge (3) est répartie entre les deux trajectoires du rayon au moyen de diaphragmes, de préférence selon un rapport d'intensité de 1: 1. 5. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que les derniers 3 à 6 mm de la surface intérieure (5) de la cuvette (1) tubulaire pour le gaz de mesure sont revêtus d'une couche antireflet.