Brevet FR2823304A1 — publié le 20021011

La présente invention concerne un système de prélèvement d'un échantillon gazeux susceptible de contenir des matières en suspension telles que, par exemple, des particules. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à l'analyse d'une composition gazeuse et/ou au comptage de particules présentes dans cette composition par analyse spectrographique du rayonnement produit par la flamme d'un mélange gazeux incluant ladite composition. On sait que ce type d'analyse s'effectue au moyen d'un spectrophotomètre de flamme comprenant un brûleur dans lequel on provoque la combustion d'un courant de mélange gazeux comportant la composition gazeuse à analyser (par exemple de l'air ambiant) et de l'hydrogène, ou autre comburant, de manière à réaliser une flamme dont les émissions lumineuses sont décomposables en un spectre lumineux dont l'analyse des raies permet de déterminer la nature et la concentration des éléments recherchés. Le courant de mélange gazeux est engendré en créant une dépression dans le circuit d'échappement du brûleur, par exemple grâce à une turbine, de manière à provoquer, au niveau du circuit d'admission, une aspiration de la composition gazeuse à prélever. L'avantage de ce type d'appareil réside notamment en ce qu'il permet d'effectuer non seulement l'analyse de la composition gazeuse mais également de déterminer la composition et la numération de particules (par exemple des bactéries ou des poussières) présentes dans cette composition. En effet en brûlant, ces particules engendrent des impulsions lumineuses (flash) de durée limitée qu'il est possible de compter pour obtenir le nombre de particules par unité de volume de la composition gazeuse à analyser. L'invention a plus particulièrement pour but la réalisation d'un système de prélèvement de composition gazeuse pouvant se connecter à la buse d'aspiration d'un appareil du type susdit de manière à pouvoir capter des aérosols en suspension dans la composition et qui permette d'effectuer une sélection des particules en fonction de leur forme et/ou leurs dimensions, de manière à ne traiter que les particules dont la taille correspond aux objets recherchés. L'invention a également pour but la réalisation d'un système de ce genre qui permette d'effectuer un prélèvement omnidirectionnel et qui soit conçu de manière à empêcher l'entrée de projections (boue, cailloux) ainsi que d'insectes. Pour parvenir à ce résultat, le système de prélèvement, selon l'invention, se compose d'une colonne tubulaire, de préférence cylindrique, pouvant se connecter par l'une de ses extrémités au conduit d'aspiration d'un appareil d'analyse et se terminant de l'autre coté par une tête de prélèvement présentant un orifice d'aspiration débouchant à l'extérieur. Selon l'invention, la susdite colonne comprend successivement, en partant de la tête, un premier impacteur associé à un premier collecteur pour extraire les particules dont le diamètre est supérieur à un premier diamètre de coupure et un second impacteur associé à un second collecteur qui supprime les particules les plus fines et concentre dans le courant gazeux aspiré par l'appareil d'analyse les particules dont le diamètre est supérieur au diamètre de coupure de ce second impacteur. Avantageusement la tête de prélèvement pourra comprendre une calotte coaxiale à la colonne et de concavité orientée vers la colonne, cette calotte délimitant avec une collerette prévue à l'extrémité de la colonne un espace annulaire, débouchant radialement à l'extérieur. Cet espace annulaire pourra avantageusement présenter, dans un plan radial, un profil approprié (par exemple en forme de chicane) pour empêcher la pénétration de projection de matières ou d'objets indésirables en constituant un piège à lumière, tout en favorisant l'écoulement du flux gazeux contenant les particules à analyser et/ou à compter. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique d'un spectrophotomètre équipé d'un système de prélèvement selon l'invention ; La figure 2 est une demi-coupe axiale du système de prélèvement représenté figure 1. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le spectrophotomètre comprend un brûleur 1 comportant deux chambres de combustion tubulaires coaxiales, axialement décalées l'une par rapport à l'autre, à savoir : - une chambre de combustion externe 2 refermée d'un côté par un fond 3 et de l'autre côté par un opercule 4 présentant une ouverture circulaire coaxiale dans laquelle est montée une lentille 5, cette chambre de combustion 2 présentant un orifice d'échappement latéral 6 raccordé à un circuit d'échappement 7 muni d'une turbine 8 actionnée par un moteur, et - une chambre de combustion interne 10 de diamètre inférieur à la chambre de combustion externe 2 et s'engageant dans celle-ci au travers d'un orifice prévu dans le fond 3. La chambre 10 peut être réalisée en un matériau incluant un élément réactif. Elle s'ouvre à l'intérieur de la chambre externe 2 en regard de la lentille 5 et à une distance déterminée de celle-ci. Elle est refermée, de l'autre côté, à l'extérieur de la chambre 2 par un fond 12 sur lequel est montée une buse mélangeuse coaxiale 13 qui s'étend sur une fraction de la longueur de la chambre 10 et est connectée, d'une part à un conduit d'aspiration de gaz à analyser 14 (qui traverse le fond 12) et, d'autre part, à un conduit d'injection d'hydrogène 15 qui traverse radialement la paroi longitudinale de la chambre 10. Le fonctionnement de ce spectrophotomètre est alors le suivant : Les deux chambres 2,10 sont mises en dépression par la turbine 8 de manière à provoquer une aspiration du gaz à prélever dans la buse mélangeuse. A l'intérieur de la buse 13, le flux de gaz aspiré se mélange avec le courant d'hydrogène injecté. L'écart entre l'orifice de sortie de la buse 13 et l'orifice de sortie de la chambre interne 10 est calculé de manière à ce que le mélange gazeux en combustion sortant de la buse 13 en produisant une première flamme FI vienne lécher la surface intérieure de la chambre interne 10 et réagisse avec la matière de celle-ci dans une zone réactive de longueur limitée. Par ailleurs, ce mélange gazeux reçoit un flux d'air provenant d'orifices calibrés 17 prévus dans le fond 12 de la chambre 10, autour de la buse mélangeuse 13. Grâce à cet apport supplémentaire d'air, on obtient à la sortie de la chambre 10 une deuxième combustion qui engendre une flamme F2 apte à émettre une lumière caractéristique de l'élément recherché qui a réagi avec la matière de la paroi intérieure de la chambre interne 10. Cette lumière est alors focalisée par la lentille 5 sur une cellule optoélectronique 18, éventuellement par l'intermédiaire d'un système de filtrage rotatif d'un dispositif de spectrophotométrie de flamme. Conformément à l'invention, le conduit d'admission est raccordé à un système de prélèvement 20 comprenant une colonne tubulaire cylindrique 21 dont une extrémité est refermée par un fond 22 muni d'un orifice 23 sur lequel est connecté le conduit d'aspiration 14 tandis que l'autre extrémité est munie d'une tête de prélèvement omnidirectionnelle 24. Dans cet exemple, la tête de prélèvement 24 se compose d'une calotte bombée 25 et d'une collerette 26 fermée sur l'extrémité de la colonne 21 et comportant une protubérance axiale 27 qui prolonge légèrement la collerette 26 et dont le profil dans un demi-plan axial présente une forme incurvée 28, partant de la collerette 26, sensiblement aux 2/3 de sa largeur et qui s'étend sensiblement exponentiellement jusqu'en un point 29 situé à une distance de l'axe XX'de la colonne inférieure au rayon de son volume intérieur cylindrique. Le bord circulaire de la protubérance 28 (lieu des points 29) est raccordé à la surface cylindrique intérieure de la colonne 21 par l'intermédiaire d'une portion conique 30 allant en s'évasant en direction du fond 22. La calotte 25 comprend une forme bombée coaxiale à la colonne et présentant dans un demi-plan axial une forme exponentielle qui délimite avec la forme exponentielle de la protubérance un espace E allant en s'évasant au fur et à mesure qu'il se rapproche de l'axe XX'de la colonne 21. Cette calotte bombée 25 comprend, à l'extérieur, un rebord radial annulaire 31 qui s'étend parallèlement à la partie de la collerette 26 qui dépasse de la protubérance 27, en formant avec celle-ci, un orifice annulaire de prélèvement omnidirectionnel OP de la composition gazeuse à analyser qui s'étend selon un plan radial de symétrie. Avantageusement, au niveau de sa jonction avec la collerette 26, la protubérance 27 s'étend axialement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan radial de symétrie de l'orifice OP. Grâce à cette disposition, on obtient un impacteur qui évite que des projections de matières indésirables ne puissent pénétrer à l'intérieur de la colonne 21 en perturbant le fonctionnement du système de prélèvement et/ou de l'appareil d'analyse. Par ailleurs, la calotte 25 comporte une forme conique coaxiale 33 qui s'étend à partir de la région centrale de sa face concave, en délimitant avec la portion conique 30 de la protubérance 27, un espace allant en s'évasant vers le fond de la colonne. La colonne 21 comprend deux séparateurs successifs, à savoir un premier séparateur Su comportant un impacteur situé dans la partie centrale de la colonne et un second séparateur S2 comportant un impacteur virtuel situé au voisinage du fond 22. Le premier séparateur Si fait intervenir un déflecteur tronconique 34 qui réduit la section de passage de la colonne cylindrique 21 en direction du fond 22. Ce déflecteur 34 est prolongé par un rebord axial 35 orienté vers le fond 22. Ce rebord 35 définit un passage axial cylindrique de faible diamètre, audessous duquel et à une distance prédéterminée, est placé l'impacteur Il. Cet impacteur Il se compose d'un collecteur cylindrique coaxial 36 de même diamètre que le rebord 35. Ce collecteur 36 contient une tête d'impact bombée 37 portée par une tige coaxiale 38, le diamètre de la tête 37 étant supérieur à celui de la tige 38. La tête 37 est située au-dessous de l'orifice du collecteur 36, lequel comporte au-dessus de la tête 37 un léger rétrécissement d'alésage. Le second séparateur S2 fait également intervenir un déflecteur conique 39 qui réduit la section de passage de la colonne 21 en direction du fond 22 et qui délimite avec la partie inférieure de la colonne 21 une concavité annulaire CAl orientée vers le fond 22. Ce déflecteur 39 coopère avec un deuxième déflecteur coaxial 40, situé au-dessus, qui délimite avec la colonne 21 une concavité annulaire CA2 orientée vers la tête de prélèvement 24. Ce déflecteur 40 délimite autour de l'axe central de la colonne 21 un passage central 41 allant en s'évasant vers le fond et communiquant avec le conduit d'aspiration 14 de l'appareil de spectrophotométrie. Les deux concavités CAl, CA2 constituent une chambre annulaire d'extraction s'ouvrant vers l'axe de la colonne 21 par un orifice annulaire OA. Cette chambre d'extraction est connectée à des moyens d'aspiration, par exemple un étage d'aspiration 8'de la turbine 8. Le fonctionnement du système d'aspiration est alors le suivant : L'aspiration engendrée par la turbine 8 est telle que le débit aspiré par l'étage 8'est de l'ordre de 90 % du débit circulant dans la colonne (par exemple, entre 12 et 18 1/mu), tandis que le débit de conduit d'aspiration 14 n'en représente que 10 % (par exemple, entre 1,3 et 2 1/mon). Sous l'effet de cette aspiration, on obtient un prélèvement omnidirectionnel de gaz chargé de particules par l'orifice de prélèvement OP de la tête 24. Sur la figure 2, le bloc BI montre schématiquement des particules de différents diamètres, dont les plus grosses (cailloux ou insectes) viennent buter sur la forme axiale de la protubérance 27 et sont rejetées à l'extérieur. Les particules de diamètre plus faible (bloc B2) sont entraînées par le courant gazeux dans le trajet sinueux de la tête 24 et sont concentrées vers l'axe XX'de la colonne 21 au sortir de ce trajet, notamment grâce à la partie conique 33. La forme particulière du trajet sinueux emprunté par le flux gazeux fait office de piège à lumière, destiné à éviter que le détecteur optique de l'appareil d'analyse ne soit aveuglé par la lumière du jour. Au passage au niveau du séparateur SI, les particules sont d'abord concentrées par le déflecteur 34 puis les fractions les plus fines de particules sont aspirées dans le passage annulaire compris entre la colonne 21 et le collecteur 36. Les particules les plus grosses, supérieures au diamètre de coupure C) de l'impacteur, poursuivent leur trajet axial pour venir buter sur la tête 37 et se stocker dans le collecteur 36 (la tête 37 jouant alors un rôle similaire à celui d'une valve). Le flux gazeux dont les particules les plus grosses ont été extraites (bloc B3) sont à nouveau recentrées par le déflecteur 39, tandis que les particules très fines (inférieures au diamètre de coupure C2 de l'impacteur) (bloc B4) sont aspirées par l'étage d'aspirateur 8'. Le reste des particules (bloc Bs) dont le diamètre OC3, est compris entre les diamètres de coupure OC, et C2 est aspiré par le conduit d'aspiration de l'appareil d'analyse. Bien entendu, les formes et les dimensions de ce système de prélèvement pourront être adaptées de manière à ce que les diamètres des particules prélevées correspondent à ceux des particules que l'on souhaite analyser. Revendications 1. Système pour le prélèvement d'un échantillon gazeux susceptible de contenir des particules de matières en suspension dont on veut effecteur le comptage et/ou l'analyse au moyen d'un appareil d'analyse comprenant un conduit d'aspiration (14) dudit échantillon, ce système comportant une colonne tubulaire (21) pouvant se connecter par l'une de ses extrémités audit conduit d'aspiration (14) et se terminant, de l'autre côté, par une tête de prélèvement (24), caractérisé en ce que ladite colonne (21) comprend successivement, en partant de la tête, un premier séparateur (SI) associé au premier collecteur (36) pour extraire les particules dont le diamètre est supérieur à un premier diamètre de coupure, et un second séparateur (S2) associé à un second collecteur qui supprime les particules les plus fines, dont le diamètre est inférieur à un second diamètre de coupure, et concentre dans le courant gazeux aspiré par ledit conduit d'aspiration (14), les particules dont le diamètre est supérieur à ce second diamètre de coupure. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de prélèvement (24) comprend une calotte (25) coaxiale à la colonne (21) et de concavité orientée vers la colonne (21), cette calotte (25) délimitant avec une collerette (26) prévue à l'extrémité de la colonne un espace annulaire (E), débouchant radialement à l'extérieur. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit espace annulaire (E) présente, dans un plan radial, un profil approprié (par exemple en forme de chicane) pour empêcher la pénétration de projection de matières ou d'objets indésirables en constituant un piège à lumière. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la susdite collerette (26) est partiellement prolongée par une protubérance axiale (27) dont le profil dans un plan axial présente une forme incurvée s'étendant exponentiellement jusqu'en un point (29) situé à une distance de l'axe (XX') de la colonne (21) inférieur au rayon de son volume intérieur cylindrique, le bord circulaire de la protubérance (27) situé au niveau dudit point 29 étant raccordé à la surface cylindrique de la colonne (21) par l'intermédiaire d'une portion conique 30 s'évasant en direction du fond (22). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la calotte (25) comprend une forme bombée coaxiale à la colonne (21) et présentant, dans un demi-plan axial, une forme exponentielle qui délimite avec la forme exponentielle de la protubérance (27) un espace (E) allant en s'évasant au fur et à mesure qu'il se rapproche de l'axe (XX') de la colonne (21). 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la susdite calotte (25) comprend à l'extérieur un rebord radial annulaire (31) qui s'étend parallèlement à une partie de la collerette (26) qui dépasse de la protubérance, en formant avec celle-ci, un orifice annulaire omnidirectionnel de prélèvement (OP). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au niveau de sa jonction avec la collerette (26), la protubérance (27) s'étend axialement. 8. Système selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la susdite calotte (25) comprend une forme conique coaxiale (33) qui délimite avec la portion conique (30) de la protubérance un espace allant en s'évasant vers le fond (22) de la colonne (21). 9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier séparateur (SI) comprend un déflecteur tronconique (34) muni d'un rebord axial (35), ce déflecteur (34) réduisant la section de passage de la colonne (21) en direction du fond (22) et un collecteur cylindrique coaxial (36), situé au-dessous dudit rebord (35) et à une distance prédéterminée de celui-ci, ce collecteur (36) contenant une tête d'impact bombée (37) portée par une tige coaxiale (38). 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que la susdite tête (37) de l'impacteur est située au-dessous de l'orifice du collecteur (36), lequel comporte au-dessus de la tête (37) un léger rétrécissement d'alésage. 11. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second séparateur (S2) fait intervenir d'une part un premier déflecteur conique (39) qui réduit la section de passage de la colonne (21) en direction du fond (22) et qui délimite avec la partie inférieure de la colonne (21) une concavité (CAl) orientée vers le fond et, d'autre part, un deuxième déflecteur coaxial (40) situé au-dessous du premier (39), qui délimite avec la colonne (21) une concavité (CA2) orientée vers la tête de prélèvement (24), ce déflecteur (39) délimitant autour de l'axe central (XX') de la colonne (21) un passage central (41) allant en s'évasant vers le fond (22) en communication avec le susdit conduit d'aspiration (14), en ce que les deux concavités (CAl, CA2) constituent une chambre d'extraction s'ouvrant vers l'axe (XX') de la colonne (21) par un orifice annulaire (OA), et en ce que cette chambre d'extraction est connectée à des moyens d'aspiration 8'.