Brevet FR2815122A1 — publié le 20020412

Dispositif de détection de gaz La présente invention concerne un dispositif de détection de gaz Il est connu par la demande de brevet européen 0 950 179, un système photoacoustique pour mesurer deux ou plusieurs gaz utilisant plusieurs sources radiantes de type laser dont les fréquences sont adaptées aux bandes des longueurs d'onde d'absorption des gaz à détecter et comportant dans la chambre de détection un transducteur acoustique mesurant les variations de pression générées par la modulation de chacune des sources laser. Le but d'un tel dispositif est de mesurer deux ou plusieurs gaz simultanément en utilisant un seul transducteur acoustique et sans limiter l'énergie radiante à des largeurs de bandes trop étroites permettant ainsi la superposition des bandes de longueurs d'onde. Un tel dispositif ne présente aucun intérêt lorsque l'on veut détecter seulement un gaz. De plus, il nécessite l'utilisation de plusieurs sources, ce qui, dans le cas précisé cidessus, n'est pas utile. La détection de plusieurs gaz rend le calcul plus complexe et en même temps diminue la sensibilité du dispositif de mesure. Il est connu également par la demande de brevet WO 96/31765, un appareil de mesure photoacoustique pour les gaz ou les mélanges de gaz, consistant à comparer la concentration du gaz détecté ou mesuré avec celui d'un détecteur de référence contenant le même gaz. Ce brevet a pour but de pallier les inconvénients des méthodes de mesure antérieures basées sur les effets photoacoustiques nécessitant un volume fixé ou confiné de gaz ou de mélange de gaz qui doivent être soumis à la mesure. Les dispositifs de l'art antérieur nécessitent des volumes importants contenant le gaz lorsque la concentration de gaz est faible. Toutefois, la présence de détection de référence a l'inconvénient de pénaliser l'appareil. Le but de la présente invention vise effectivement à améliorer la sensibilité des détecteurs de gaz, notamment pour les concentrations très faibles, tout en utilisant un dispositif simple adaptable facilement à la détection de tout type de gaz. Ce but est obtenu par un dispositif de mesure photoacoustique de la présence d'un gaz comportant une source d'énergie radiante laser pour fournir une énergie d'excitation à la zone de mesure occupée par le gaz, choisie dans une gamme de longueurs d'onde d'absorption maximum pour le gaz, un dispositif de modulation pour moduler l'énergie d'excitation, un transducteur disposé dans la zone de mesure pour détecter les signaux acoustiques produits, caractérisé en ce que la zone de mesure est constituée d'une cuve résonnante de type Helmholtz dont la fréquence de résonance est adaptée à la fréquence de modulation de l'excitation optique. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif peu encombrant qui puisse être monté dans un véhicule tout en ayant une grande sensibilité. Selon cet autre but, le dispositif est monté sur un véhicule, le tube d'entrée communiquant avec l'extérieur du véhicule et aspirant l'air pour effectuer les détections du gaz à détecter. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique du dispositif selon la présente invention ; - la figure 2A représente une vue en perspective d'une cuve résonnante de type Helmholtz utilisée dans le dispositif selon l'invention ; - la figure 2B représente la réponse en amplitude de la cuve résonnante de type Helmholtz en fonction de la fréquence de modulation ; - la figure 2C représente la réponse en phase de la cuve résonnante de type Helmholtz en fonction de la fréquence de modulation ; - la figure 3A représente la réponse de la cuve résonnante de type Helmholtz lorsque celle-ci est fermée sur l'extérieur ; - la figure 3B représente la réponse de la cuve résonnante de type Helmholtz lorsque celle-ci est ouverte sur l'extérieur ; - la figure 4 représente les courbes de réponse du dispositif obtenu pour différentes concentrations d'un gaz ; - la figure 5A représente la réponse d'une cuve non résonnante lorsque celle-ci est fermée sur l'extérieur ; - la figure 5B représente la réponse d'une cuve non résonnante lorsque celle-ci est ouverte sur l'extérieur ; - la figure 5C représente les spectres d'absorption de lumière par un gaz en fonction des différentes longueurs d'ondes de lumière. Il est connu, comme représenté à la figure 5C, que la courbe d'absorption de lumière par un gaz déterminé, tel que par exemple, le méthane (CH4) présente des maximums pour certaines longueurs d'ondes , 1, 2. 3. Ainsi, l'efficacité avec laquelle un gaz absorbe l'énergie radiante varie considérablement avec les longueurs d'onde des radiations. L'absorption d'énergie par un gaz particulier sur un spectre de longueurs d'onde comprend des bandes étroites de haute absorption espacées les unes des autres par des bandes de longueurs d'onde d'absorption moins élevées. Chaque gaz a un spectre d'absorption unique et les systèmes photoacoustiques peuvent être améliorés en adaptant précisément la longueurs d'onde de l'énergie radiante au gaz que l'on souhaite mesurer. Le principe connu de mesure photoacoustique consiste en ce que le gaz étudié contenu dans une cuve, absorbe l'énergie radiante passant dans la cuve, chaque molécule individuelle accroît ainsi son énergie de rotation-vibration et finalement, les collisions entre molécules augmentent. Ce phénomène se manifeste par un accroissement de température et comme le gaz est contenu dans un volume fermé, la pression augmente également. Ceci se manifeste sur la courbe 5A où l'on voit que dans une cuve fermée non résonnante, on obtient une augmentation de pression détectée par le signal fourni par un microphone pour une longueur d'onde déterminée. Le problème qui se pose est que lorsque l'on veut effectuer la mesure de présence d'un gaz dans des endroits divers et en temps réel sur l'échantillon, il est nécessaire de faire circuler le gaz prélevé dans une cuve ouverte sur l'extérieur. Dans ce cas-là, la courbe de réponse d'un dispositif de l'art antérieur à cuve non résonnante présente les caractéristiques de la figure 5B. Il est difficile d'extraire parmi le bruit généré, le signal qui correspond à la présence du gaz que l'on souhaite détecter. Le but de l'invention est donc de proposer un système qui puisse être utilisé aussi bien en cuve fermée qu'en cuve ouverte et qui permette d'obtenir une grande sensibilité de détection, en étant facilement adaptable à n'importe quel gaz. Ce but est atteint par le dispositif de la figure 1 constitué d'une source laser (1), par exemple à diode, émettant la longueur d'onde correspondant à un pic d'absorption de la part du gaz. Ce rayon laser (3) passe à travers un modulateur (2), par exemple mécanique, pour être modulé en fréquence à une fréquence déterminée, par exemple de 210 Hz. Le rayonnement (3) atteint une cuve résonnante (4), de type Helmholtz, constituée, comme représenté figure 2, par deux tubes parallèles (40,41) fermés à leurs extrémités par des fenêtres (42a, 42b) pour le premier tube (40) et respectivement (42f, 42d) pour le second tube (41). Les fenêtres permettent le passage du faisceau laser qui pénètre ainsi dans le volume d'un tube (40) disposé sur son trajet. Les deux tubes parallèles sont reliés entre eux à proximité de chacune de leurs extrémités par des tubes capillaires (43,44) de diamètre (d) plus petit que le diamètre (D) des tubes parallèles (40,41). Ainsi, par exemple, en choisissant des tubes et des capillaires de 10 cm de longueur et le rapport des diamètres des capillaires sur le diamètre des tubes égal à 1/10, on réalise une cuve résonnante à une fréquence de 210 Hz. Sur chacun des tubes parallèles (40,41) sont disposés dans une zone centrale des micros à électret (10,11). Ces micros à électret (10,11) ont une courbe de réponse plate dans la plage de 100 Hz à 20 KHz. Il est possible d'utiliser des micros à condensateur sans pour autant sortir de l'esprit de l'invention. Le type de micros utilisé peut être fourni par la firme Knowles sous la référence K 1024 ou encore, on peut utiliser des micros Sennheiser ou Brüel & Kjaer. Le premier capillaire (43) est pourvu d'un tube d'arrivée (5) et le deuxième capillaire (44) est pourvu d'un tube de sortie (6). Un robinet respectif (45,46) est monté de façon à fermer le tube d'arrivée (5) et respectivement (46) le tube de sortie (6). Lorsque les tubes d'arrivée (5) et de sortie (6) sont fermés, les robinets (45,46) permettent tout de même la circulation du gaz au travers des capillaires d'un tube (40) vers l'autre (41). Le tube de sortie (6) peut être équipé d'une pompe aspirante (60) de façon à permettre une circulation suffisante des gaz pour assurer une mesure en temps réel. Le signal de sortie du microphone (10) disposé sur le tube (40) recevant le rayonnement laser est envoyé sur l'entrée positive d'un amplificateur différentiel (8). Le signal de sortie du deuxième microphone (11) disposé sur le tube parallèle (41) qui n'est pas placé dans le faisceau du rayonnement laser, est envoyé sur l'entrée négative de l'amplificateur différentiel (8). La sortie de cet amplificateur délivre les signaux électriques représentatifs de la quantité de gaz détecté à un système d'affichage (9). Le dispositif comporte également un ensemble électronique (7) permettant de contrôler le modulateur mécanique (2). Dans une variante de réalisation, le dispositif de modulation est intégré au système (1) de génération du rayonnement laser et cette modulation se produit de façon électronique par modulation du courant d'excitation de la diode laser. Un exemple d'application va maintenant être explicité pour la détection du méthane. Pour détecter ce gaz, le laser, par exemple à diode, sera choisi avec une longueur d'onde de 1,65 microns et la fréquence de modulation sera choisie pour qu'elle se situe au maximum de réponse en amplitude de la cuve résonnante, ce maximum correspondant à une réponse en opposition de phase des signaux délivrés par le second micro (11) par rapport aux signaux délivrés par le premier micro (10). En effet, on peut voir sur la courbe de la figure 2B que le maximum de réponse d'amplitude se situe à 210 Hz et sur la figure 2C, on constate que pour cette valeur de fréquence, les signaux (110) délivrés par le second micro (11) sont en opposition de phase par rapport aux signaux (100) délivrés par le premier micro (10). Ces signaux viennent donc s'ajouter dans l'amplificateur (8) et produisent en sortie un signal d'amplitude plus élevé aussi bien cuve fermée sur l'extérieur, comme représenté à la figure 3A, que cuve ouverte sur l'extérieur comme représenté figure 3B. Ainsi, avec une cuve résonnante de dimensions très faibles, environ un carré de 10 cm de côté, avec des tubes ayant un rapport de diamètre de 1 à 10 et un volume des capillaires par rapport au volume des tubes ayant un rapport de volume de 1 à 100, il est possible d'obtenir une grande sensibilité de détection. Le dispositif permet ainsi de détecter la présence du méthane avec une concentration de l'ordre de 10 ppm. La figure 4 représente les courbes de réponse en sortie de l'amplificateur (8) lors d'une série de mesures effectuées avec des concentrations de méthane variant de 100 ppm à 100 000 ppm. Lorsque l'on veut adapter le dispositif à la détection d'un autre gaz, il suffit de changer la longueur d'onde de la source laser. Des moyens peuvent être prévus pour changer facilement la longueur d'onde de la source laser et la fréquence de modulation. Ainsi, le dispositif de mesure photoacoustique de la présence d'un gaz comportant une source d'énergie radiante laser (1) pour fournir une énergie d'excitation à la zone de mesure occupée par le gaz choisie dans une bande de longueurs d'onde d'absorption maximum pour le gaz, un dispositif de modulation (2) pour moduler l'énergie d'excitation, un transducteur (10,11) disposé dans la zone de mesure pour détecter les signaux acoustiques produits, se caractérise en ce que la zone de mesure est constituée d'une cuve (4) résonnante dont la fréquence de résonance est adaptée à la fréquence de modulation de l'excitation optique. Dans un autre mode de réalisation, la cuve résonnante comporte deux transducteurs acoustiques (10,11) disposés dans des enceintes (40, 41) reliées entre elles, de façon à former un système résonateur de type Helmholtz dont les enceintes sont en opposition de phase. Dans un autre mode de réalisation, la sortie du transducteur (10) disposé dans l'enceinte (40) soumise au rayonnement à laser est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur différentiel (8) et la sortie du transducteur (11) disposé dans l'autre enceinte (41) est reliée à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel (8). Dans un autre mode de réalisation, la cuve résonnante (4) est constituée de deux enceintes (40,41) en forme de tubes de mesure reliés à proximité de chaque extrémité par un tube capillaire, un premier capillaire (43) recevant un tube d'entrée (5) équipé d'un robinet (45), le second capillaire (44) recevant un tube de sortie (6) équipé d'un robinet (46). Dans un autre mode de réalisation, le tube de sortie est relié à une pompe (60). Dans un autre mode de réalisation, le dispositif est monté sur un véhicule, le tube d'entrée (5) communiquant avec l'extérieur du véhicule et aspirant l'air pour effectuer les détections du gaz à détecter. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens d'adapter la longueur d'onde de la source lumineuse en fonction du gaz à détecter. Dans un autre mode de réalisation, le modulateur (2) est mécanique. Dans un autre mode de réalisation, la modulation de l'excitation optique (3) est effectuée électroniquement par variation de courant de commande de la diode laser. Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure photoacoustique de la présence d'un gaz comportant une source d'énergie radiante laser (1) pour fournir une énergie d'excitation à la zone de mesure occupée par le gaz choisie dans une bande de longueurs d'onde d'absorption maximum pour le gaz, un dispositif de modulation (2) pour moduler l'énergie d'excitation, un transducteur (10,11) disposé dans la zone de mesure pour détecter les signaux acoustiques produits, caractérisé en ce que la zone de mesure est constituée d'une cuve (4) résonnante dont la fréquence de résonance est adaptée à la fréquence de modulation de l'excitation optique. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cuve résonnante (4) comporte deux transducteurs (10,11) acoustiques disposés dans des enceintes (40,41) reliées entre elles, de façon à former un système résonateur de type Helmholtz dont les enceintes (40,41) sont en opposition de phase. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la sortie du transducteur (10) disposé dans l'enceinte (40) soumise au rayonnement à laser est reliée à l'entrée positive d'un amplificateur différentiel (8) et la sortie du transducteur (11) disposé dans l'autre enceinte (41) est reliée à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel (8). 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cuve résonnante (4) est constituée de deux enceintes (40,41) en forme de tubes de mesure reliés à proximité de chaque extrémité par un tube capillaire, un premier capillaire (43) recevant un tube d'entrée (5) équipé d'un robinet (45), le second capillaire (44) recevant un tube de sortie (6) équipé d'un robinet (46). 5. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube de sortie est relié à une pompe (60). 6. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté sur un véhicule, le tube d'entrée (5) communiquant avec l'extérieur du véhicule et aspirant l'air pour effectuer les détections du gaz à détecter. 7. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'adapter la longueur d'onde de la source lumineuse en fonction du gaz à détecter. 8. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le modulateur (2) est mécanique. 9. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la modulation de l'excitation optique (3) est effectuée électroniquement par variation de courant de commande de la diode laser.