Brevet FR2781054A1 — publié le 20000114

L'invention concerne un détecteur de gaz comportant une barrière contre la pénétration des flammes, perméable au gaz de mesure, placée entre l'espace de mesure et l'atmosphère, à l'intérieur du boîtier du détecteur de gaz qui est, par ailleurs, imperméable aux gaz. Les détecteurs de gaz sont fondés sur différents principes de fonctionnement qui sont mis en oeuvre en fonction de l'objectif d'utilisation. A titre d'exemple, un cas d'application spécial pour l'utilisation de certains détecteurs de gaz est la mesure de concentration de gaz inflammables ou explosifs dans des mélanges gazeux, par exemple dans un mélange de méthane dans l'air. Dans ce cas, une concentration de gaz à détecter est mesurée dans une chambre de mesure, dans laquelle le mélange air/gaz à mesurer pénètre par diffusion ou est introduit au moyen d'une pompe, grâce aux éléments de mesure proprement dits du détecteur de gaz, c'est-à-dire grâce à des éléments alimentés en courant électrique, tels que des pellistors, des éléments opto-électroniques ou des éléments à semi- conducteurs. Dans le cas des pellistors, l'un des deux éléments de mesure est préparé par catalyse, tandis que le deuxième élément de mesure ne subit pas cette préparation catalytique. Le comportement de la variation de résistance de l'élément de mesure préparé par catalyse, qui est caractéristique du gaz à détecter, en comparaison avec le deuxième, peut être évalué au moyen de ponts à résistances connus en soi. Par le document DE 15 98 578 C3, on connaît un détecteur de gaz pour gaz combustibles comportant des éléments de mesure, susceptibles d'être chauffés électriquement, et des ponts à résistances associés, un tamis aux mailles très fines ou une plaque présentant des perçages très fins étant prévus, par exemple, pour servir de barrière contre l'allumage devant la chambre de mesure. Des barrières contre l'allumage ou des barrières contre la pénétration des flammes de ce type sont d'une extrême importance, dans le cas des détecteurs de gaz décrits, afin d'éviter avec certitude que le gaz à détecter, brûlé de façon catalytique et contrôlée dans la chambre de mesure, ne vienne enflammer le gaz présent à l'extérieur de la chambre de mesure, dans le mélange, par exemple de méthane dans l'air. Au cas o l'on utilise des éléments optiques à infrarouges (optoélectroniques), il est souhaitable de disposer d'une barrière efficace contre la pénétration des flammes, entre l'espace de mesure à l'intérieur du détecteur de gaz et l'atmosphère. C'est pour cette raison que les détecteurs de gaz qui sont équipés de barrières contre la pénétration des flammes sont désignés comme étant protégés contre les explosions. L'invention a pour but de proposer un détecteur de gaz comportant une barrière perfectionnée contre la pénétration des flammes perfectionnée, présentant une qualité élevée, constante, et fabriquée à partir de combinaisons de matériaux disponibles. Ce but est atteint grâce au fait que la barrière contre la pénétration des flammes est constituée de plusieurs couches de tissu résistant à la flexion, perméables au gaz de mesure, présentant une épaisseur globale de 1 à 10 millimètres, une porosité globale d'au moins 20 % Vol., par rapport au volume de la barrière contre la pénétration des flammes, et un pourcentage maximum de 1 % de toutes les pores présentant une largeur de pores supérieure à 240 micromètres. Les avantages essentiels apportés par l'invention permettent d'obtenir de meilleurs temps de réaction, plus courts, ainsi que de meilleures sensibilités de mesure des détecteurs de gaz équipés des barrières contre la pénétration des flammes décrits, par rapport aux détecteurs de gaz équipés des barrières en métal fritté, utilisées jusqu'à présent, et présentant, autrement, la même structure. Grâce à l'invention, la sensibilité de mesure d'un détecteur de gaz selon l'invention a pu être augmentée de pratiquement 40 %, et le temps de réaction réduit de plus de la moitié, en comparaison, à chaque fois, avec un détecteur de gaz similaire équipé d'une barrière contre la pénétration des flammes en métal fritté. Rétrospectivement, l'amélioration apportée par l'invention peut vraisemblablement s'expliquer par le fait que les barrières en métal fritté pour détecteurs de gaz ne peuvent remplir la double fonction que l'on attend d'eux, à savoir d'une part la fonction d'aération et, d'autre part, la constitution d'une barrière efficace contre la pénétration des flammes, qu'au prix d'une réduction de la sécurité, et l'on observe donc des temps de réaction relativement plus longs et des hauteurs de signaux moins élevées dans le cas des détecteurs de gaz équipés du système connu de barrière contre la pénétration des flammes en métal fritté. On explique la réduction de la sécurité par le fait que la fabrication de corps frittés et, en particulier, la répartition de la taille des pores, qui est importante dans le présent contexte et qui lui est associée, est soumise à des tolérances de fabrication relativement élevées, de sorte que, dans la pratique, les tailles de pores maximales autorisées sont plutôt limitées, ce qui fait que la fonction d'aération est relativement réduite, en faveur de la fonction de barrage des flammes: il en résulte, pour les détecteurs de gaz connus, un allongement des temps de réaction et des signaux moins élevés. Avantageusement, la barrière contre la pénétration des flammes est constituée de trois à cinq couches de tissu et présente une épaisseur globale de 1 à 5 millimètres. Le contenu essentiel de l'enseignement technique de la présente invention réside dans le fait que la barrière destinée à des détecteurs de gaz protégés contre les explosions est constituée de plusieurs couches de tissu résistant à la flexion, perméables au gaz de mesure, constituées en métal. Des métaux adaptés sont: l'acier, des alliages Cr-Ni, le nickel pur, le Monel, le cuivre, des alliages contenant de l'aluminium, du titane ou des métaux nobles, sous formes de composant unique ou en combinaison. D'autres matériaux adaptés pour constituer les couches de tissu sont le verre, les matériaux céramiques ou des matériaux synthétiques, en particulier des matériaux synthétiques résistant à la chaleur. Les différentes couches de tissu d'une barrière contre la pénétration des flammes peuvent être constituées de différents matériaux, mais les matériaux métalliques sont préférés. Les différentes couches de tissu d'une barrière sont généralement conformées différemment, afin d'obtenir une combinaison optimale des caractéristiques. L'épaisseur d'une barrière contre la pénétration des flammes est comprise entre 1 et 10 millimètres. La porosité globale de la barrière contre la pénétration des flammes est d'au moins 20 % Vol., de préférence comprise entre 30 et 70 % Vol., par rapport au volume global de la barrière. Un pourcentage maximum de 1 % de toutes les pores présentent une largeur de pores supérieure à 240 micromètres. La couche de tissu supérieure, qui est orientée vers l'extérieur, peut présenter une structure relativement grossière, afin de protéger des détériorations mécaniques la couche de tissu située dessous, qui empêche la pénétration des flammes. Cette couche de tissu détermine la qualité de la protection contre la pénétration des flammes. Sous cette couche sont placées une ou plusieurs couches de tissu tissé de façon relativement lâche qui assurent une fonction de soutien pour l'ensemble des couches de tissu. Les couches de tissu inférieures, mentionnées en dernier, sont pourvues d'ouvertures relativement plus larges que les couches de tissu supérieures, mentionnées en premier (largeur de pores ou de mailles). Les différentes couches de tissu superposées sont, de préférence, assemblées en étant pressées ou frittées, c'est-à-dire en utilisant de la pression et de la chaleur, ou se présentent sous la forme d'un laminat. L'épaisseur de la barrière contre la pénétration des flammes et, par conséquent, du parcours de diffusion du gaz à détecter est, de préférence, de quelques millimètres, en particulier de 1 à 5 millimètres. Les détecteurs de gaz selon l'invention intègrent les barrières contre la pénétration des flammes, perméables aux gaz, destinées à délimiter l'espace de mesure par rapport à l'atmosphère, de telle sorte que la liaison avec le boîtier du détecteur, qui est, autrement, imperméable aux gaz, est réalisée dans la zone de bordure, sans entrefer. Dans le cas des boîtiers métalliques préférés, la liaison est avantageusement effectuée par soudage électrique, dans le cas des boîtiers en matériau synthétique, la barrière contre la pénétration des flammes est avantageusement assemblée par fusion dans le boîtier en matière synthétique. Il est possible d'envisager d'autres techniques d'assemblage courantes, connues de l'homme du métier. Il est prévu d'utiliser le détecteur de gaz selon l'invention pour mesurer la concentration d'hydrocarbures, en particulier de méthane, ou la concentration d'hydrogène ou d'ammoniac. Deux exemples d'exécution de l'invention vont maintenant être expliqués à l'aide des figures 1 et 2, qui sont des vues en coupe de deux détecteurs de gaz selon l'invention. Le détecteur de gaz 1 cylindrique, à base circulaire, représenté à la figure 1, est protégé contre les explosions en étant équipé d'un boîtier 3 en acier, imperméable aux gaz, scellé sous pression, de sorte que le gaz à mesurer (par exemple du méthane), provenant de l'atmosphère, peut s'introduire par l'ouverture, en forme de cratère, ménagée dans le boîtier 3, et peut diffuser à travers la barrière 2 contre la pénétration des flammes, perméable au gaz de mesure, qui est constituée de plusieurs couches de tissu métallique, résistant à la flexion, en particulier frittées, pour parvenir dans l'espace de mesure 4, afin d'y être détecté au niveau de l'un des éléments de mesure 5. D'autre part, la barrière 2 contre la pénétration des flammes doit garantir qu'aucune étincelle d'allumage provenant de l'espace de mesure 4 ne passe dans l'atmosphère, afin d'empêcher de façon certaine une explosion du mélange gazeux dans l'air ambiant. Les éléments de mesure 5 sont soit des pellistors, des éléments à semi-conducteurs, des éléments thermoconducteurs, des éléments opto-électroniques soit d'autres composants électroniques sensibles aux gaz. Dans le cas de pellistors, l'un des deux éléments de mesure 5, en particulier, est extérieurement préparé avec un catalyseur caractéristique du gaz à détecter, afin qu'il déclenche, en présence du gaz à détecter, une combustion contrôlée qui entraîne, grâce à l'élévation de la température par rapport au deuxième élément de mesure 5, une modification de la résistance qui peut être détectée, de préférence, dans un circuit à pont à résistances, non représenté, et qui indique, enfin, la concentration du gaz à mesurer (gaz de mesure). La barrière 2 contre la pénétration des flammes, en forme de plaque, est, de préférence, soudée à l'intérieur du boîtier 3 pour former un anneau, et devient ainsi partie intégrante de celui-ci. Du point de vue de ce qui est admissible techniquement, ceci a pour conséquence qu'il n'est pas nécessaire de disposer d'une longueur d'entrefer, par exemple, d'au moins 5 millimètres, et de respecter cette donnée, comme ceci est le cas lorsqu'on utilise des plaques métalliques frittées d'une épaisseur nécessaire correspondante. La barrière 2 contre la pénétration des flammes, selon l'invention, présente une épaisseur globale nettement inférieure, en particulier d'approximativement 1 à 5 millimètres, avec, de préférence, de trois à cinq couches de tissu en acier, et présente un parcours de diffusion du gaz à détecter plus court, en conséquence, des temps de réaction plus courts pour la mesure, et une meilleure sensibilité de mesure. La largeur de pores des différentes couches de tissu était comprise entre 20 et 80 micromètres. Afin de garantir le bon fonctionnement des détecteurs de gaz 1 selon l'invention, il est indispensable, suivant les résultats empiriques obtenus, qu'au maximum 1 % de toutes les pores présentent une largeur supérieure à 240 micromètres, c'est-à-dire qu'au moins 99 % de toutes les pores (ouvertures) de la barrière 2 contre la pénétration des flammes présentent une largeur de pores inférieure à 240 micromètres. Les passages de câbles des câbles qui mènent aux éléments de mesure 5 sont encapsulés dans un bloc de matière synthétique 6 étanche aux gaz. Les éléments de mesure 5 sont maintenus dans une position définie au moyen de deux supports 7 en matière synthétique adaptée ou en céramique. Des mesures ont montré que, pour les détecteurs de gaz 1 selon l'invention, équipés des barrières 2 contre la pénétration des flammes, le temps de réaction (ce que l'on appelle le temps t 90), tombait d'environ 20 secondes à environ 10 secondes, dans le cas du méthane, par rapport aux détecteurs de gaz 1, identiques pour le reste, mais équipés de barrières en métal fritté, en forme de plaques, et que la sensibilité de mesure du méthane augmentait de 1,5 à 2 unités. La figure 2 représente, en variante, un dispositif de mesure optique à infrarouges, avec une source de rayonnement 8 comportant un élément de mesure 5 optique à infrarouges, qui définit le parcours de mesure d'absorption dans l'espace de mesure 4. La barrière 2 contre la pénétration des flammes, selon l'invention, constitue ici, également, la limite de l'espace de mesure 4 par rapport à l'atmosphère. Dans cette forme d'exécution également, la liaison entre la barrière 2 contre la pénétration des flammes et le boîtier 3 est réalisée, dans la zone de bordure, sans entrefer, en particulier par soudage ou fusion. Revendications 1. Détecteur de gaz comportant une barrière contre la pénétration des flammes, perméable au gaz de mesure, placée entre l'espace de mesure et l'atmosphère, à l'intérieur du boîtier du détecteur de gaz qui est, par ailleurs, imperméable aux gaz, caractérisé en ce que la barrière (2) contre la pénétration des flammes est constituée de plusieurs couches de tissu résistant à la flexion, perméables au gaz de mesure, présentant une épaisseur globale de 1 à 10 millimètres, - une porosité globale d'au moins 20 % Vol., par rapport au volume de la barrière (2) contre la pénétration des flammes, - un pourcentage maximum de 1 % de toutes les pores présentant une largeur de pores supérieure à 240 micromètres. 2. Détecteur de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barrière (2) contre la pénétration des flammes est constituée de trois à cinq couches de tissu et présente une épaisseur globale de 1 à millimètres. 3. Détecteur de gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les couches de tissu sont constituées en céramique, en verre, en matière synthétique ou en métal, en particulier en acier, en alliage chrome- nickel, en nickel, en Monel, en cuivre, en alliage d'aluminium, en titane ou en métal précieux, sous forme de composant unique ou en combinaison. 4. Détecteur de gaz selon au moins l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la barrière (2) contre la pénétration des flammes est soudée ou fusionnée avec le boîtier du détecteur de gaz (1). 5. Détecteur de gaz selon au moins l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les couches de tissu sont frittées ensemble, pressées ou assemblées pour former un laminat. 6. Utilisation d'un détecteur de gaz (1) selon au moins l'une des revendications 1 à 5 pour mesurer la concentration d'hydrocarbures, en particulier de méthane, d'hydrogène ou d'ammoniac.