Brevet FR2821673A1 — publié le 20020906

La présente invention concerne un analyseur de gaz pour déterminer la concentration d'une composante d'un mélange gazeux tel que l'air expiré au cours d'un cycle respiratoire, comprenant - une cellule d'analyse recevant le mélange gazeux à analyser, - un émetteur de rayonnement émettant un rayonnement vers un cap- teur de rayonnement à travers la cellule formant un chemin d'absorption. L'invention concerne également un procédé de mesure d'une composante gazeuse contenue dans un mélange gazeux. On connaît déjà un procédé d'analyse de gaz du type définit ci-dessus et un dispositif pour appliquer ce procédé. Ces procédé et dispositif connus utilisent tous la loi de BEER-LAMBERT, permettant de déterminer la concentration d'une composante gazeuse dans un mélange de gaz à partir de l'absorption de la lumière par la composante de gaz. Cette absorption est celle de la longueur d'onde caractéristique de la composante gazeuse. On connaît un premier analyseur comprenant un chemin d'analyse dans lequel se trouve le mélange gazeux à analyser. Un émetteur formé d'un corps noir que l'on chauffe à forte température, rayonne. Le rayonnement émis est reçu par un capteur qui recueille un signal correspondant à l'atténuation de la lumière à la longueur d'onde caractéristique de la composante de gaz à analyser. Un second analyseur de gaz utilise également un chemin d'analyse avec, à une extrémité du chemin, un émetteur formé d'un corps noir combiné à deux capteurs dont l'un est sensiblement au milieu du chemin d'analyse et l'autre à l'extrémité. Ces deux capteurs recueillent les signaux lumineux et permettent de mesurer une absorption différentielle ; celle-ci dépend de l'épaisseur et de la nature de la couche de gaz traversée par le rayonnement. A partir de cette mesure différentielle, on détermine la concentration de la composante gazeuse recherchée en application de la loi de BEER-LAMBERT. Ces deux procédés d'analyse de gaz, connus, ont l'inconvénient de nécessiter un équipement relativement compliqué et surtout de consommer beaucoup de courant à cause du chauffage du corps noir. Outre leur complexité et le coût très élevé, ces équipements présentent l'inconvénient de ne pouvoir se réaliser sous la forme d'une installation autonome, fonctionnant par piles, et surtout qui puisse se miniaturiser, pour être légère et transportable. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et se propose de développer des moyens d'analyse de la concentration d'une composante gazeuse dans un mélange de gaz, qui soit simple à mettre en oeuvre, puisse facilement se transporter, soit légère et fiable. A cet effet, l'invention concerne un analyseur de gaz du type défini ci-dessus caractérisé par - une photodiode émettant une lumière de longueur d'onde correspon- dant à la longueur d'onde caractéristique de la composante de gaz à analyser, - un photorécepteur recevant la lumière émise par la photodiode après sa traversée du chemin d'absorption, - un circuit de commande et de traitement qui commande * l'émission d'une impulsion lumineuse par la photodiode et la ré- ception du signal après absorption par le photorécepteur, * la réception par le photorécepteur du rayonnement émis par le gaz du chemin d'absorption en l'absence d'émission lumineuse par la photodiode (deuxième signal), - un circuit de traitement qui reçoit les deux signaux du photorécepteur et en déduit la concentration de la composante gazeuse. Cet analyseur de gaz offre l'avantage d'être une réalisation très simple et très peu encombrante, permettant la miniaturisation puisque la cellule d'analyse qui définit le chemin d'analyse peut avoir des dimensions extrêmement réduites. Comme la consommation électrique est très faible, cette cellule peut être alimentée par une pile ce qui rend l'appareil autonome et facilement transportable. Il peut ainsi équiper un sportif pour analyser les paramètres du cycle respiratoire en cours d'exercice. Il peut notamment être combiné à un appareil d'analyse respiratoire déterminant le volume respiratoire. L'analyseur de l'air expiré pendant un cycle respiratoire est conçu pour analyser la teneur en gaz carbonique de l'air expiré et pour cela, la photodiode émet une lumière de longueur d'onde voisine de 4 200 nm, qui est la longueur d'onde de lumière absorbée par le gaz carbonique. Le fonctionnement impulsionnel de la photodiode est fixé de préférence à une fréquence de 400 Hz et le fonctionnement du photoré- cepteur, calé sur la photodiode est de préférence d'une fréquence double pour mesurer à la fois le signal émis par la photodiode et un signal intermédiaire permettant de caler le zéro de l'appareil. Cette fréquence de fonctionnement est suffisante pour obtenir un information précise tout en épargnant les composants. De façon avantageuse, l'analyseur comporte un capteur de température et un capteur de pression pour déterminer les paramètres du mélange gazeux analysé permettant le calcul de la concentration dans les conditions de température et de pression normales. Enfin pour stabiliser le gaz au niveau du chemin de mesure, il est avantageux d'entourer le chemin de mesure d'un diffuseur installé dans la cellule d'analyse, en aval de l'entrée du mélange gazeux. Il est très intéressant d'équiper l'analyseur d'une sonde à oxygène pour compléter les mesures. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma par blocs d'un analyseur de gaz selon l'invention, - la figure 2 montre des chronogrammes de signaux de fonctionnement de l'analyseur de gaz selon l'invention, - la figure 3 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'une cellule d'analyse selon le plan III III de la figure 4, - la figure 4 est une vue en coupe de la cellule de la figure 3 selon le plan IV IV. Selon la figure 1, l'invention concerne un analyseur de gaz pour déterminer la concentration d'un composant dans un mélange gazeux. Le mélange gazeux est fourni par une source 1 qui peut être un individu dont on analyse le cycle respiratoire. La source de gaz 1 fournit le gaz à une cellule d'analyse 2 définissant un chemin d'absorption 21 et comportant aux extrémités de ce chemin, un émetteur 3 et un photorécepteur 4. L'émetteur 3 est une photodiode émettant une lumière de longueur d'onde correspondant à la longueur d'onde absorbée par la composante gazeuse à analyser. Le photorécepteur 4 est de préférence une cellule PbSe dont les caractéristiques spectrales sont centrées sur 4 000 nm à la température ambiante. Le chemin d'absorption tracé schématiquement par le trait 21 dans la cellule 2 est entouré par un diffuseur 5 pour régulariser le flux ou volume de gaz fourni et stabiliser celui-ci autour du chemin d'absorption 21. La cellule comporte également un capteur de température 6 ainsi qu'un capteur de pression non représenté. Si la source de gaz fournit du gaz à débit continu ou même de manière alternative mais sous une pression connue, le capteur de pression peut être supprimé, la pression nécessaire à la définition de la masse gazeuse dans l'enceinte d'analyse 2 étant ainsi connue au moins approximativement. La cellule de mesure 2 et ses différents équipements sont reliés à un circuit de commande et de traitement 7 qui commande la photodiode émettrice 3 et le photorécepteur 4 pour les faire fonctionner suivant un fonctionnement discontinu à une fréquence de l'ordre de quelques centaines de Hertz. Le circuit de commande 7 commande l'émission d'une impulsion lumineuse par la photodiode. Le signal lumineux arrive sur le photorécepteur 4 après avoir parcouru le chemin d'absorption 21. Cette lumière de longueur d'onde égale ou proche de celle absorbée de manière caractéristique par la composante gazeuse que l'on recherche dans le mélange en cours d'analyse, est absorbée et le signal recueilli par le photorécepteur 4 est un signal atténué, en fonction de l'absorption dépendant elle-même de la concentration de la composante gazeuse. Le circuit de commande 7 fournit des signaux de commande Ml, M2, M3 (figure 2) pour commander de l'émission des impulsions lumineuses sur la photodiode ; les impulsions lumineuses correspondantes portent les références El, E2, E3. Dans l'intervalle de deux impulsions lumineuses El, E2 ou E2, E3..., le circuit 7 commande également une mesure d'intensité lumineuse par le photorécepteur 4 en l'absence d'émission d'impulsion lumineuse par la photodiode 3. Le signal recueilli permet de faire une mesure relative de l'absorption du signal émis par la photodiode 3, grâce à la mesure du niveau de lumière reçu par le photorécepteur 4 en l'absence d'émission. On règle ainsi le tarage de l'appareil qui est effectué entre chaque fois deux mesures El, E2, E3, tient automatiquement compte de l'évolution de la cellule de mesure en fonction du temps (vieillissement) ou d'une variation de température de la cellule ou encore d'émission de luv mière parasite. Les signaux recueillis par le circuit de commande et de traitement 7 sont transmis à un circuit d'exploitation 8 qui calcule la concentration gazeuse en tenant compte des paramètres du gaz, c'est-à-dire de sa température et de sa pression. Les informations sont ensuite enregistrées et/ou affichées sur un écran ou sur un support non représenté. L'analyseur de gaz décrit ci-dessus est notamment destiné à réaliser un appareil léger et portatif puisque la consommation électrique est extrêmement faible grâce à l'utilisation d'une photodiode et d'un photorécepteur, à fonctionnement intermittent, commandés par les impulsions du circuit de commande. L'appareil est également très simple. Il peut être branché sur un analyseur de respiration, analysant le débit respiratoire. Cet appareil peut être alimenté par une pile et constituer un ensemble facilement transportable que peut notamment utiliser un sportif pendant un exercice. L'analyseur de gaz décrit ci-dessus est utilisé avantageusement pour analyser la concentration en gaz carbonique C02 contenu dans l'air notamment dans l'air respiré et, dans ce cas, la photodiode 3 est une photodiode émettant une lumière de longueur d'onde voisine de celle absorbée par le gaz carbonique, c'est-à-dire 4 200 nm. Le fonctionnement de l'analyseur est avantageusement commandé à une fréquence de l'ordre de 400 Hz pour la diode photo- émettrice et d'une fréquence double ou éventuellement multiple pour le photorécepteur de façon que celui-ci soit prêt pour la réception pendant l'émission d'une impulsion lumineuse par la photodiode ainsi qu'à différents instants dans l'intervalle de deux émissions d'impulsion lumineuse par la photodiode. Le procédé selon l'invention consiste, comme décrit cidessus et à propos de l'analyseur, de définir un chemin d'absorption de la lumière par la composante analysée du mélange gazeux. Dans ce chemin règne une température et une pression totale de gaz qui sont déterminées, c'est-à-dire connues soit parce qu'on les mesure pendant l'analyse soit parce que ces paramètres sont fournis par des moyens extérieurs à la cellule de mesure. Ensuite dans ce chemin d'absorption, on émet une impulsion lumineuse correspondant à celle de la longueur d'onde caractéristi- que de la composante gazeuse recherchée et on analyse le signal impulsionnel reçu à l'autre extrémité du chemin de mesure. Pour faire abstraction des variations à des différences de fabrication ou autres caractéristiques, on effectue au moins une mesure de tarage dans l'intervalle de l'émission de deux impulsions lumineuses. Enfin à partir de ces deux types de signaux recueillis, on détermine la concentration de la composante gazeuse. Les figures 3 et 4 montrent un exemple de réalisation d'une cellule de mesure. Cette cellule de mesure 2A est intégrée dans un corps 10 muni d'orifices 11, 12, opposés, recevant l'un le support 21 de la photodiode 3A constituant l'émetteur et l'autre 22, le support du photorécepteur 4A. Le capteur de température et/ou de pression 6A est placé dans un logement 13 dirigé transversalement par rapport à la direction longitudinale de la cellule d'analyse 2A. A l'opposé du logement 13, se trouve un orifice traversant 14 débouchant dans une sonde à oxygène 9. Enfin le chemin d'absorption de la cellule de mesure 2A est entouré par un diffuseur 5A, pour stabiliser le gaz dans la zone du chemin de mesure. La cellule est munie d'une arrivée de gaz 15 reliée à la source de gaz non représentée. La figure 4 montre l'embout 16 communiquant avec l'entrée de gaz 15. Cet embout est prévu pour recevoir un tuyau pour relier l'analyseur à un analyseur de respiration. En position diamétralement opposée à l'entrée 15, se trouve un clapet de surpression 18 communiquant avec la cellule 2A par un passage 17. L'analyseur de gaz selon l'invention peut servir à mesurer la concentration des composants gazeux C02 (gaz carbonique) et 02 (oxy- gène) dans le gaz respiratoire. Comme dans ce cas le gaz respiratoire est fourni par une pompe, notamment une pompe à membrane qui a un fonctionnement impulsionnel, on évite l'influence des impulsions de la pompe. Pour cela selon l'invention, on commande le moteur de la pompe seulement pendant la phase expiratoire et on recueille les données de l'analyseur de gaz uniquement lors de la phase inspiratoire, lorsque le moteur est arrêté. Dans ces conditions, la cellule d'analyse de gaz n'est pas perturbée et fonctionne comme une chambre de mélange. REVENDICATIONS 1 ) Analyseur de gaz pour déterminer la concentration d'une composante d'un mélange gazeux tel que l'air expiré au cours d'un cycle respiratoire, comprenant - une cellule d'analyse (2,2A) recevant le mélange gazeux à analyser, - un émetteur de rayonnement émettant un rayonnement vers un cap- teur de rayonnement à travers la cellule formant un chemin d'absorption, caractérisé par - une photodiode (3,3A) émettant une lumière de longueur d'onde cor- respondant à la longueur d'onde caractéristique de la composante de gaz à analyser, - un photorécepteur (4,4A) recevant la lumière émise par la photodiode (3,3A) après sa traversée du chemin d'absorption (21), - un circuit de commande et de traitement (7) qui commande * l'émission d'une impulsion lumineuse (El, E2, E3) par la photo- diode (3,3A) et la réception du signal après absorption par le photorécepteur (4,4A), * la réception par le photorécepteur (4,4A) du rayonnement émis par le gaz du chemin d'absorption en l'absence d'émission lumi- neuse par la photodiode (deuxième signal), - un circuit de traitement (8) qui reçoit les deux signaux du photorécep- teur (4,4A) et en déduit la concentration de la composante gazeuse. 2 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composante gazeuse est le gaz carbonique C02 contenu dans l'air et la photodiode émet une lumière de longueur d'onde voisine de 4 200 nm. 3 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de commande (7) génère l'émission d'une impulsion lumineuse par la photodiode (3,3A) à une fréquence de 400 Hz et le fonctionnement du photorécepteur (4,4A) a une fréquence multiple de celle de la photodiode, en phase avec celle-ci. 4 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un capteur de température (6) équipant la cellule d'analyse (2) est relié au circuit de commande et de traitement (7). 5 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un capteur de pression équipant la cellule d'analyse (2) est relié au circuit de commande et de traitement (7). 6 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' un diffuseur est installé dans la cellule d'analyse (2) autour du chemin d'absorption (21) en aval de l'entrée de gaz dans la cellule. 7 ) Analyseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' une sonde à oxygène (9) est reliée à la cellule d'analyse (2). 80) Procédé de mesure d'une composante gazeuse contenue dans un mélange gazeux caractérisé en ce qu' - on définit un chemin d'absorption dans lequel le mélange gazeux a une pression et une température données, - on émet dans ce chemin d'absorption, une impulsion lumineuse de longueur d'onde correspondant à la longueur d'onde caractéristique de la composante gazeuse à déterminée, - on reçoit le signal impulsionnel ayant traversé le chemin d'absorption pour former un premier signal de mesure, - on reçoit le signal transmis par le gaz du chemin de mesure en l'absence d'impulsion lumineuse pour former un second signal de me- sure, - on détermine la concentration de la composante gazeuse recherchée à partir des deux signaux de mesure. 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on émet une impulsion lumineuse de longueur d'onde égale à 4 200 nm. 10 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu' on émet un signal impulsionnel à une fréquence de 400Hz que l'on reçoit à la même fréquence et on synchronise et on commande la réception du second signal dans l'intervalle entre l'émission de deux signaux impulsionnels.