Brevet FR2819311A1 — publié le 20020712

DISPOSITIF DE MESURE DE CONCENTRATION DE GAZ Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne un dispositif de mesure de concentration de gaz. L'invention s'applique dans différents domaines tels que, par exemple, l'analyse des rejets gazeux industriels, l'analyse des gaz d'échappement des véhicules automobiles, le contrôle de l'admission d'air pur dans des enceintes fermées, le contrôle des odeurs, etc. Dans le domaine de l'automobile, une application particulièrement avantageuse du dispositif selon l'invention permet le contrôle du bon fonctionnement de l'élément catalytique de la ligne d'échappement d'un véhicule. Selon l'art connu, différents dispositifs de détection optique de gaz existent. On peut citer, par exemple, des dispositifs utilisant des diodes d'émission laser, des diodes électroluminescentes (LEDs), ou des lampes. Le document Remote Sensing of Methane Gas by Differential Absorption Measurement Using a Wavelength Tunable DFB LD)) (Y. Shimose et al., IEEE photonics technology letters, vol 3, N l, p86, January 1991) et le document a Remote Detection of Methane with a 1. 66pm Diode Laser (K. Uehara et al, Applied optics, vol 31, N'6, p 809, February 1992) divulguent des dispositifs qui utilisent des diodes laser. De tels dispositifs mettent en oeuvre des circuits électroniques de traitement complexes et coûteux du fait de l'utilisation de diodes dont la longueur d'onde est très faible (typiquement de l'ordre de 1, 65leim). Ces dispositifs ne sont donc pas aptes à être utilisés dans des domaines d'application grand public tels que, par exemple, le domaine de l'automobile. Les dispositifs connus qui utilisent des diodes électroluminescentes présentent l'avantage de travailler à des longueurs d'onde supérieures comprises entre 3 et 6pm. Cependant, du fait de la très grande largeur spectrale des rayonnements émis par les diodes, il est nécessaire d'utiliser des filtres interférentiels qui conduisent à un rendement d'émission faible dans la zone d'utilisation. De tels filtres interférentiels sont par ailleurs coûteux. L'utilisation de diodes électroluminescentes présente également d'autres inconvénients. Ainsi, les dérives en température des rayonnements émis par les diodes sont importantes et il est alors nécessaire de mettre en place des circuits de compensation en température. De même, l'émission des rayonnements émis par les diodes est très divergente et nécessite l'emploi d'une optique corrective. Les documents suivants divulguent des dispositifs de détection optique qui utilisent des diodes électroluminescentes : - Efficient 3. 3pm light emitting diodes for detecting methane gas at room température)), M. K. Parry et al, Electronics letters, Vol 30, N023, p 1968, nov 1994, - H ln. As. Sjb Jigrht ejnittingr diodes and their applications to infrared gas sensors , W. Dobbelaere et al., Electronics letters, Vol2 9, N010, p 890, may 1993, - Efficient 4. 2m light emitting diodes for detecting CO2 at room temperature , Y. Mao et al, Electronics letters, Vol 32, NOS, P 479, February 1996, 4 (High power 4. 6m LEDs for CO detection grown by LPE M, A. Krier et al, Electronics letters, Vol 35, N019, p 1665, Sept 1999. Les lampes (filament chaud) présentent également l'avantage de travailler dans la gamme de 3 à 6 Mm. Du fait de la très grande largeur spectrale du rayonnement émis, il est cependant également nécessaire d'utiliser des filtres interférentiels. Le rendement d'émission est encore plus faible que celui des diodes électroluminescentes. Par ailleurs, l'émission est également très divergente et il est nécessaire d'utiliser une optique corrective. De plus, dans le cas ou le traitement du signal nécessite une modulation en amplitude, un chopper mécanique est nécessaire. En résumé, tous les émetteurs mentionnés cidessus ne permettent pas de réaliser un dispositif de détection compact, peu coûteux et d'utilisation simple. Par ailleurs, aucun de ces dispositifs ne permet la détection simultanée de plusieurs gaz différents. L'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un dispositif de mesure de concentration de gaz comprenant : - une cavité contenant au moins un gaz dont la concentration est à mesurer, au moins un premier émetteur constitué d'une microcavité optique pompée par des moyens optiques de pompage et dont le spectre d'émission se situe dans la bande d'absorption du gaz, au moins un deuxième émetteur constitué d'une microcavité optique pompée par des moyens optiques de pompage et dont le spectre d'émission se situe en dehors de la bande d'absorption du gaz, - des moyens de réception pour mesurer l'intensité optique d'un premier rayonnement issu du premier émetteur et transmis à travers la cavité et l'intensité optique d'un deuxième rayonnement issu du deuxième émetteur et transmis à travers la cavité, et - un circuit de traitement pour mesurer la concentration du gaz à partir de l'intensité optique du premier rayonnement et de l'intensité optique du deuxième rayonnement. La cavité peut être une cavité ouverte ou fermée. Par cavité (ouverte)), il faut entendre une cavité qui comprend des ouvertures permettant aux gaz d'être entraînés dans un flux. Par cavité fermée , il faut entendre une cavité qui ne comprend pas de telles ouvertures. L'invention concerne également un dispositif de contrôle de fonctionnement d'un élément catalytique de ligne d'échappement d'un véhicule automobile caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures ci-annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention ; - la figure 2 représente un schéma de principe d'un perfectionnement du dispositif de mesure de concentration de gaz représenté en figure 1 ; - la figure 3 représente un premier exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention ; - la figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention ; - la figure 5 représente un troisième exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 représente un schéma de principe de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Le dispositif comprend une cavité C contenant un gaz dont la concentration est à mesurer, un premier émetteur de rayonnement El, un deuxième émetteur de rayonnement E2, un premier moyen de réception Rl, un deuxième moyen de réception R2 et un circuit de traitement électronique T. Le spectre d'émission de l'émetteur El se situe dans la bande d'absorption du gaz à détecter alors que le spectre d'émission de l'émetteur E2 se situe en dehors de la bande d'absorption du gaz à détecter. Les rayonnements 11 et 12 émis par les émetteurs El et E2 traversent la cavité C sur une distance d pour former, au-delà de la cavité, les rayonnements respectifs tl et t2 détectés, respectivement, par les moyens de réception RI et R2. Le moyen de réception RI délivre une mesure 1 de l'intensité optique du rayonnement tl et le moyen de réception R2 délivre une mesure Io de l'intensité optique du rayonnement t2. Un circuit de traitement T délivre la mesure de la concentration N du gaz à partir des mesures d'intensité optique 1 et Io. Il vient : i = exp (- a x d), la avec a=a x N, où a est la densité du gaz en m-lppm-l, et N est la concentration du gaz en ppm, d étant la longueur du trajet du faisceau optique dans le milieu gazeux comme mentionné précédemment. On peut alors écrire : - = 1-a x d, soit 10 1 a x d-1-, et donc l a x d avec avec ôI=I ()-I. la On en déduit : 1 Ôl N =----x-. a x d 10 Les émetteurs El et E2 sont constitués, chacun, d'une microcavité optique résonante dans laquelle la région active est une hétérostructure à semi-conducteur qui émet de la lumière à une longueur d'onde déterminée par le choix du semi-conducteur et le type d'hétérostructure. La couche active est fabriquée par la technique d'épitaxie, avec des matériaux semiconducteurs tels que, par exemple, CdHgTe, GaAlN, AlBN, GaAlAs, GaAsSb, GaAlSb, etc. ou avec différentes familles d'alliages de semi-conducteurs de famille IIVI (composés de Cd, Zn, Hg, Mn, Mg avec Se, S, Te), ou de famille III-V (Ga, Al, In, B avec N, As, P, Sb). En général, les hétérostructures sont formées par empilement de multicouches d'alliages sur un substrat. La zone active peut comprendre des puits quantiques qui constituent alors les zones émettrices de lumière. L'épitaxie est réalisée par des moyens connus de type épitaxie par jet moléculaires, épitaxie par organométalliques , ou épitaxie en phase liquide . Dans l'émetteur à microcavité, la zone active réalisée avec les matériaux semi-conducteurs décrits ci-dessus se trouve à l'intérieur d'une microcavité optique, constituée d'une cavité de type Fabry-Perot comprenant deux miroirs. La cavité Fabry-Perot est calculée de façon à faire correspondre la résonance optique de la cavité avec la longueur d'onde d'émission du semiconducteur. Les microcavités optiques résonantes (de type Fabry-Perot) sont également connues par l'homme de l'art. L'utilisation d'une microcavité optique résonante permet d'améliorer considérablement les performances de l'émetteur par rapport à une émission qui aurait lieu sans microcavité résonante. Les avantages liés à l'utilisation d'une cavité résonante peuvent s'énumérer comme suit : - augmentation de l'émission spontanée et de la quantité de lumière émise (augmentation d'un facteur sensiblement égal à 10), - affinement spectral de l'émission (le spectre d'émission est affiné d'un facteur 10 à 20), - meilleure directivité (diminution de la divergence d'un angle d'environ 200), - diminution très importante de la dépendance en température de la longueur d'onde d'émission (diminution d'un facteur 100). Le pompage optique nécessite une source dont la longueur d'onde est inférieure à celle de l'émetteur afin de pouvoir être absorbée par la zone active du semi-conducteur. Par exemple, pour les émetteurs infrarouges à base de CdHgTe émettant dans la gamme 3- 5m, une diode laser ou une diode électroluminescente émettant, par exemple à 780nm, 800nm, ou 980nm, peut être utilisée. Il n'est avantageusement pas nécessaire de réguler la longueur d'onde d'émission de la pompe optique. Ceci simplifie considérablement le dispositif, car il n'est pas nécessaire de faire une régulation de température. La puissance d'émission est proportionnelle à la puissance de pompe. Elle peut être, par exemple, comprise entre 1 et 100 microwatts à la température ambiante. Pour l'application considérée ici, on utilisera, par exemple, une diode laser pour exciter optiquement les émetteurs. Le miroir d'entrée de la microcavité optique est conçu pour être transparent aux longueurs d'onde d'excitation du faisceau de la diode laser de pompe. Ceci est réalisé d'une manière classique, avec un miroir dichroïque ayant une bande de transparence aux longueurs d'onde d ! excitation et une réflectivité élevée à la longueur d'onde de l'émetteur. D'autre part, il est possible d'augmenter la sensibilité du dispositif avec l'utilisation d'une électronique dédiée. En effet, les faisceaux d'émission des émetteurs infrarouges El et E2 peuvent être modulés en intensité lumineuse par la modulation du faisceau de l'élément optique de pompage. Si l'on considère que l'élément de pompage est une diode laser, on peut moduler le faisceau optique de sortie de l'émetteur infrarouge avec une fréquence supérieure à 100 MHz. A l'aide de cette propriété, on peut utiliser des fonctions de filtrage électronique (par exemple la fonction de détection synchrone) qui permettent de sélectionner le signal utile à détecter (amélioration du rapport signal sur bruit). De façon générale, chaque moyen de réception comprend un filtre interférentiel pour sélectionner la lumière à recevoir. Dans le cas de la détection synchrone, il est alors possible de supprimer ce filtre des moyens de réception. En utilisant, par exemple, une modulation codée, un seul élément de réception peut alors être activé sélectivement en fonction de l'émetteur activé. Ce mode de réalisation de l'invention est représenté en figure 2 où une commande de modulation codée Mod est appliquée à un unique moyen de réception R. Selon l'invention, le fait de faire une mesure différentielle entre une mesure de signal utile et une mesure de référence permet avantageusement de réduire les bruits parasites ambiants et de supprimer les dérives en température des chaînes de mesure. La figure 3 représente un premier exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Le dispositif comprend quatre émetteurs El, E2, E3, E4 et quatre diodes détectrices Dl, D2, D3, D4. Le rayonnement li (i=l, 2,3, 4) issu de l'émetteur Ei est couplé à la cavité C par une lentille Lli. Le rayonnement ti (i=l, 2,3, 4) qui sort de la cavité C est couplé au détecteur Di par une lentille Lti. Le signaux électriques issus des détecteurs Di (i=l, 2,3, 4) sont transmis au circuit de traitement T. Le spectre d'émission de l'émetteur El se situe dans la bande d'absorption d'un premier gaz à détecter et le spectre d'émission de l'émetteur E3 se situe dans la bande d'absorption d'un deuxième gaz à détecter. L'émetteur E2 est associé à l'émetteur El pour la mesure de la concentration du premier gaz et l'émetteur E4 est associé à l'émetteur E3 pour la mesure de la concentration du deuxième gaz. Le dispositif tel que représenté en figure 3 comprend quatre émetteurs et permet de faire une mesure de concentration de deux gaz différents (respectivement N1 et N2). De façon plus générale, l'invention concerne un dispositif comprenant 2xn émetteurs pour faire une mesure de concentration de n gaz différents. La figure 4 représente un deuxième exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Selon ce deuxième exemple, des miroirs sont utilisés pour la transmission du rayonnement dans la cavité. Le rayonnement li (i=l, 2,3, 4) qui pénètre dans la cavité est successivement réfléchi par les miroirs ai, bi et ci. Les miroirs bi et ci sont placés de part et d'autre de la cavité C. Le miroir ci est orienté de façon à permettre au rayonnement ti de sortir de la cavité par un orifice prévu à cet effet. Les miroirs peuvent être fabriqués, par exemple, à l'aide de pièces métalliques pliées puis polies. Cette technologie présente l'avantage de pouvoir être mise en oeuvre facilement et d'éviter l'emploi d'une optique ZnSe. Pour pallier un encrassement éventuel des chaînes de mesure par les impuretés véhiculées par le flux de gaz, on peut disposer des déflecteurs de protection DFi. En cas d'encrassement, les déflecteurs DFi peuvent être nettoyés par un dispositif de chauffage à haute température qui a pour effet de brûler les impuretés. Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4, les émetteurs Ei (i=l, 2, 3,4) et les moyens de réception Ri sont placés du même côté de la cavité. Avantageusement, l'électronique de traitement pour l'émission et la réception des rayonnements peut alors être localisée en un même lieu. Il est alors plus facilement possible de protéger les parties optiques d'émission et de réception. Par ailleurs, le trajet optique du rayonnement qui parcourt la cavité est un trajet de type aller-retour. Ce trajet est alors sensiblement deux fois plus long que le trajet parcouru par le rayonnement dans les cas précédents (cf. figures 1,2 et 3). Cela conduit avantageusement à améliorer la sensibilité de la chaîne de mesure. La figure 5 représente un troisième exemple de réalisation de dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention. Selon ce troisième exemple de réalisation, des conducteurs de lumière sont utilisés pour guider les différents rayonnements li vers la cavité C. De même, des conducteurs de lumière sont utilisés pour guider les différents rayonnements ti issus de la cavité vers des moyens de détection. Les conducteurs de lumière peuvent être, par exemple, des fibres optiques ou des endoscopes. Le rayonnement li issu de l'émetteur Ei (i=1, 2,3, 4) est ainsi acheminé vers la cavité C par un conducteur de lumière FEi et le rayonnement ti issu de la cavité est transmis au détecteur Di par un conducteur de lumière FRi. Une lentille Lli permet de focaliser le rayonnement li dans la cavité. Le rayonnement qui pénètre dans la cavité est réfléchi par un miroir ci. Le miroir ci est orienté de façon à permettre au rayonnement ti de sortir de la cavité par un orifice prévu à cet effet. Un avantage de ce mode de réalisation est de permettre l'éloignement de la cavité C de la zone de traitement optoélectronique. La zone de traitement optoélectronique peut alors être portée à une température différente de la température de la cavité (par exemple, une température plus basse). Cet avantage est particulièrement intéressant pour l'analyse des gaz d'échappement dans une automobile. Dans le cadre de l'invention décrite ci-dessus, les émetteurs peuvent être regroupés, sur un même substrat, sous forme de barrette ou de matrice d'émetteurs. Les émetteurs sont pompés par un réseau de diodes laser de longueur d'onde sensiblement égale, par exemple, à 800nm. Les dimensions du réseau de diodes laser sont sensiblement égales aux dimensions des émetteurs laser de pompe. Une barrette ou une matrice est réalisée, après épitaxie et fabrication des miroirs, soit par lithographie et gravure pour dégager des zones émettrices en face des zones actives des émetteurs de pompe, soit en masquant à l'aide d'un masque métallique (trous gravés) les zones qui ne doivent pas émettre de lumière. Le mode de réalisation de l'invention représenté en figure 5 comprend quatre émetteurs et permet de faire une mesure de concentration de deux gaz différents. L'invention concerne également le cas où le dispositif comprend 2xn émetteurs et permet de faire une mesure de concentration de n gaz différents. Avantageusement, le nombre n peut être assez élevé (par exemple égal à 10), du fait de la grande possibilité de choix de longueurs d'ondes dans la gamme 3m-6m. Selon les modes de réalisation de l'invention décrits aux figures 3,4 et 5, le dispositif de mesure comprend autant d'émetteurs dont le spectre d'émission se situe en dehors de la bande d'absorption des gaz que de gaz dont la concentration est à mesurer. L'invention concerne cependant également le cas où le nombre d'émetteurs dont le spectre d'émission se situe en dehors de la bande d'absorption des gaz est inférieur au nombre de gaz dont la concentration est à mesurer. Par exemple, un seul émetteur dont le spectre d'émission se situe en dehors de la bande d'absorption des gaz peut être utilisé pour la mesure de concentration de plusieurs gaz différents. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de concentration de gaz comprenant : - une cavité (C) contenant au moins un gaz dont la concentration est à mesurer, au moins un premier émetteur (El) constitué d'une microcavité optique pompée par des moyens optiques de pompage et dont le spectre d'émission se situe dans la bande d'absorption du gaz, - au moins un deuxième émetteur (E2) constitué d'une microcavité optique pompée par des moyens optiques de pompage et dont le spectre d'émission se situe en dehors de la bande d'absorption du gaz, des moyens de réception (Ri) pour mesurer l'intensité optique (I) d'un premier rayonnement issu du premier émetteur (El) et transmis à travers la cavité (C) et l'intensité optique (Io) d'un deuxième rayonnement issu du deuxième émetteur (E2) et transmis à travers la cavité (C), et - un circuit de traitement (T) pour mesurer la concentration (N) du gaz à partir de l'intensité optique (I) du premier rayonnement et de l'intensité optique (Io) du deuxième rayonnement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément optique (Lli) situé sur une première paroi de la cavité pour permettre au rayonnement (li) issu d'un émetteur (Ei) de pénétrer dans la cavité (C) et un deuxième élément optique (Lti) situé sur une deuxième paroi de la cavité située en face de la première paroi pour permettre au rayonnement qui a pénétré dans la cavité de sortir de la cavité (C). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (C) comprend une première ouverture pour permettre au rayonnement (li) issu d'un émetteur (Ei) de pénétrer dans la cavité, en ce que la cavité renferme un système de miroirs (ai, bi, ci) pour propager le rayonnement à l'intérieur de la cavité et en ce que la cavité comprend une deuxième ouverture, voisine de la première ouverture, pour permettre au rayonnement propagé par le système de miroirs de sortir de la cavité (C). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le système de miroirs (ai, bi, ci) est configuré de telle sorte que le rayonnement qui pénètre à l'intérieur de la cavité accomplit au moins un trajet sensiblement aller-retour entre la première ouverture et la deuxième ouverture. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les miroirs (ai, bi, ci) sont des pièces métalliques pliées et polies. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur de lumière (FEi) pour acheminer le rayonnement issu d'un émetteur (Ei) vers la première ouverture et un conducteur de lumière pour acheminer le rayonnement qui sort de la deuxième ouverture vers un moyen de réception (Ri). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le conducteur de lumière est une fibre optique ou un endoscope. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les émetteurs sont regroupés sous forme de barrettes ou de matrices. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens optiques de pompage sont constitués de diodes laser. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réception comprennent un premier moyen de réception pour mesurer l'intensité optique du premier rayonnement (I) et un deuxième moyen de réception pour mesurer l'intensité optique du deuxième rayonnement (Io). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de réception comprennent au moins un moyen de réception cactivé sélectivement pour mesurer soit l'intensité optique du premier rayonnement (I), soit l'intensité optique du deuxième rayonnement (mio). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des déflecteurs (DFi) sont placés à l'intérieur de la cavité (C). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les microcavités optiques du premier (El) et/ou du deuxième (E2) émetteurs comprennent une région active fabriquée à partir de matériau semi-conducteur CdHgTe, ou GaAlN, ou AlBN, ou GaAlAs, ou GaAsSb, ou GaAlSb ou avec des alliages de semi-conducteurs de famille II-VI ou de famille III-V. 14. Dispositif de contrôle de fonctionnement d'un élément catalytique de ligne d'échappement d'un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.