Brevet FR2828932A1 — publié le 20030228

,....: -,;.. -,... L'invention concerne un procédé d'identification et de détermination de la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu constitué de n gaz possibles, grâce à la mesure du rayonnement optique à infrarouge, émis par une source de rayonnement et transmis par l'intermédiaire d'une cuvette contenant le mélange gazeux inconnu, qui passe à travers m filtres avec différentes plages de longueurs d'ondes de transmission, le chiffre n étant supérieur à deux et ie chiffre m inférieur à n. Le gaz absorbe le rayonnement optique à infrarouge dans une plage de longueurs d'ondes bien particulière et la transmission du rayonnement optique à infrarouge non absorbé dans cette plage de longueurs d'ondes est caractéristique de ce gaz et de sa pression partielle. Un procédé d'identification et de détermination de la concentration d'au moins un gaz dans un mélange gazeux inconnu de n gaz possibles, grâce à la mesure du rayonnement optique à infrarouge transmis à travers le mélange gazeux, est décrit dans le document US 5,731,581. On utilise, dans ce document, un rayonnement lumineux dans plus de n plages de longueurs d'ondes différentes, qui touche des filtres perméables à ces plages de longueurs d'ondes. Grâce à des méthodes statistiques à multivariables on identifie, à partir des valeurs mesurées, ie gaz, au nombre minimum d'un, qui est présent dans le mélange gazeux inconnu et on détermine sa concentration. Dans ce cas, la concentration d'un gaz est trouvée en calculant le quctient de la pression partielle du gaz et de la pression totale. Si la pression totale est connue, on peut toujours calouler la concentration d'un gaz à partir de la pression partielle, et inversement. Le procédé connu présente l'inconvénient qu'il faut disposer, pour identifier et déterminer la concentration d'au moins un gaz dans un mélange gazeux inconnu, d'un grand nombre de filtres et de détecteurs qui sont placés en aval de ceux-ci, à savoir en nombre au moins égal au nombre de gaz qu'il est possible de trouver dans le mélange gazeux. La présente invention a pour but de proposer un procédé d'identification et de détermination de la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu, pouvant être mis en oeuvre avec des moyens simples. Le procédé d'identification et de détermination de la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu constitué de n gaz possibies, grâce à la mesure du rayonnement optique à infrarouge, transmis à travers le mélange gazeux inconnu, rayonnement qui passe à travers rn filtres avec m différentes plages de longueurs d'ondes de transmission, le chiffre n étant supérieur à deux et le chiffre m inférieur à n, comprend les étapes suivantes. On procède tout d'abord, soit en une fois, soit à différents intervalles importants, par exemple de plusieurs semaines, à un calibrage effectué par l'unité d'évaluation et de commande, avant de passer à l'identification et à la détermination de la pression partielle proprement dites, dans le mélange gazeux inconnu. Pour chacun des n gaz qui composent éventuellement le mélange gazeux inconnu et pour chacun des m filtres qui sont perméables à une plage de longueurs d'ondes spéciale, on détermine l'intensité de sortie du rayonnement optique à ir;frarouge transmis à travers le gaz, une fois qu'il est passé à travers le filtre, en fonction de la pression partielle du gaz. Cette dépendance peut être décrite par une courbe de calibrage. On obtient, en tout, n fois m courbes de calibrage différentes pour chacun des n gaz et des m filtres. Ensuite intervient l'identification et la détermination de la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu. Dans ce qui suit, cette désignation correspondra toujours à l'identification et à la détermination de la pression partielle d'un gaz, au lieu de deux gaz, si seul ce gaz est présent dans le mélange gazeux inconnu. Ce cas est un cas particulier simplifié, qui ne sera plus évoqué particulièrement, mais qui est englobé dans l'identification et la détermination de la pression partielle de deux gaz. Pour chacun des m filtres, on mesure l'intensité de sortie du rayonnement optique à infrarouge transmis à travers le mélange gazeux inconnu, une fois qu'il est passé à travers le filtre, grâce à un détecteur placé en aval du filtre. On obtient m valeurs. Grâce à une évaluation des n fois m courbes de calibrage, précèdemment élaborées, I'unité d'évaluation et de commande détermine, pour chacun des mélanges gazeux possibles, qui comprennent chacun deux des n gaz et qui seront désignés ci-après comme "paire du mélange", la paire de pressions partielles dont les m intensités de sortie associces correspondent le mieux aux m intensités de sortie mesurées pour le mélange gazeux inconnu, suivant une échelle d'écarts prédéterminée. Une échelle d'écarts pour déterminer quelles sont les intensités de sortie associées à une paire de pressions partielles qui correspondent le mieux aux intensités de sortie mesurces pour un mélange gazeux inconnu est. par exemple, la somme des écarts entre les intensités de sortie d'une paire du mélange, pour une paire déterminée de pressions partielles, et des intensités de sortie mesurées du mélange gazeux, ou la somme du carré des écarts des intensités de sortie d'une paire du mélange, pour une paire détermince de pressions partielles, et des intensités de sortie mesurées du mélange gazeux. La façon dont se déroule l'évaluation sera expliquée plus loin, à l'appui d'un exemple concernant une paire du mélange. Une fois qu'a été déterminée, pour chacune des possibles paires du mélange, la paire de pressions partielles pour laquelle les intensités de sortie associées correspondent le mieux aux intensités de sortie mesurces du mélange gazeux inconnu, selon l'échelle d'écarts prédéterminée, on calcule, parmi les paires de pressions partielles déterminées, celle dont les intensités de sortie associées correspondent le mieux aux intensités de sortie mesurées du mélange gazeux inconnu. Les deux gaz de la paire du mélange qui sont associés à cette paire de pressions partielles sont identifiés comme étant les deux gaz du mélange gazeux inconnu. On peut se servir de leurs pressions partielles pour déterminer la concentration, en les divisant le cas échéant par la pression totale. On utilise, pour mettre en oeuvre le procédé, un dispositif de mesure de gaz optique à infrarouge comprenant une source de rayonnement optique à infrarouge, une cuvette destinée à l'échantillon gazeux à mesurer, plusieurs fitres optiques présentant différentes plages de longueurs d'ondes de transmission et au moins un détecteur, monté en aval, destiné à mesurer l'intensité de sortie du rayonnement optique à infrarouge, ainsi qu'une unité d'évaluation et de mesure. Suivant une forme de réalisation préférée, on utilise le procédé pour identifier et déterminer la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu constitué de cinq gaz possibles. Dans ce cas, il peut s'agir, en particulier, des cinq gaz anesthésiants que sont l'halothane, I'enflurane, I'isoflurane, le sévoflurane et le desflurane. Selon un autre mode d'exécution préféré, on utilise trois filtres avec différentes plages de longueurs d'ondes de transmission. Il est également possible d'utiliser quatre filtres avec différentes plages de longueurs d'ondes de transmission. Les formes d'exécution comportant trois et quatre filtres sont représentées à titre d'exemples sur les figures et le mode de réalisation à trois filtres va maintenant faire l'objet d'une explication détaillée. Sur le dessin: la figure 1 est une représentation schématique d'un appareil de mesure de gaz optique à infrarouge comportant trois filtres, qui peut être utilisé pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, la figure 2 est une représentation schématique d'un appareil de mesure de gaz optique à infrarouge comportant quatre filtres, qui peut étre utilisé pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, la figure 3 représente cinq courbes de calibrage, pour cinq différents gaz anesthésiants A, B. C, 0, E et pour un premier fitre présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission comprise entre 3 et 10 micromètres, la figure 4 représente cinq courbes de calibrage, pour les cinq différents gaz anesthésiants de la figure 3 et pour un deuxième filtre présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission, différente de celle du premier filtre, comprise entre 3 et 10 micromètres, la figure 5 représente cinq courbes de calibrage, pour les cinq différents gaz anesthésiants de la figure 3 et pour un troisième filtre présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission, différente de celles des premier et deuxième filtres, comprise entre 3 et 10 micromètres, la figure 6 est un tableau présentant les paires de pressions partielles, calculées à l'aide des courbes de calibrage de cinq différents gaz anesthésiants, pour les dix combinaisons possibles de mélanges gazeux, à partir de deux gaz anesthésiants différents, désignées ci-après comme paires du mélange, la figure 7 est un tableau présentant les intensités de sortie des paires du mélange qui ont été calculées à l'aide des paires de pressions partielles des différents gaz anesthésiants trouvées à la figure 6, la figure 8 est un tableau présentant les différences entre les intensités de sortie caloulées pour les paires du mélange et les intensités de sortie mesurées pour le mélange gazeux inconnu. La figure 1 représente schématiquement un appareil de mesure de gaz optique à infrarouge comportant trois filtres 5a, 5b, 5c, que 1'on peut utiliser pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. L'appareil de mesure de gaz comprend une source de rayonnement 1 optique à infrarouge, qui est actionnce et commandée par une unité d'évaluation et de commande 2. Le rayonnement émis par la source de rayonnement 1 optique à infrarouge passe à travers une cuvette 3 perméable aux rayons, qui contient le gaz ou le mélange gazeux qu'il faut identifier et dont il faut mesurer la pression partielle. Ensuite, le rayonnement est dirigé, à l'aide de trois séparateurs de faisceaux 4a, 4b et 4c, sur trois filtres 5a, 5b, 5c présentant chacun différentes plages de longueurs d'ondes de transmission comprises entre 3 et 10 micromètres. En aval de chaque filtre 5a, 5b et 5c est monté un détecteur6a,6b, et 6c qui mesure l'intensité de sortie du rayonnement et transmet la valeur mesurée à l'unité d'évaluation et de commande 2. La figure 2 représente schématiquement un appareil de mesure de gaz optique à infrarouge comportant quatre filtres 5a, 5b, 5c, 5d, qui ne se différencie de l'appareil de mesure de gaz optique à infrarouge de la figure 1 que par la présence d'un séparateur de faisceau 4d supplémentaire, d'un filtre 5d suppiémentaire et d'un détecteur 6d supplémentaire, qui sont conçus comme les séparateurs de faisceaux 4a, 4b, 4c, les filtres 5a, 5b, 5c et les détecteurs 6a, 6b, 6c. A la figure 3 sont représentés cinq différentes courbes de calibrage pour cinq différents gaz anesthésiants A, B. C, D, E et pour le premier filtre 5 présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission comprise entre 3 et 10 micromètres. Ici, A est l'halothane, B est l'enflurane, C l'isoflurane, D le sévoflurane et E le desflurane. En abscisse est portee la pression partielle p du gaz anesthésiant, en mbar (millibars), en ordonnce est portée, en fonction de celle-ci et de façon adimensionnelle, I'intensité de sortie du rayonnement optique à infrarouge transmis à travers le gaz anesthésiant concerné, une fois qu'il est passé à travers le premier filtre 5a. Des courbes de calibrage correspond antes sont représentées, à la figure 4, pour les cinq gaz anesthésiants A, B. C, D, E et le deuxième filtre 5b présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission, différente de celle du premier filtre 5a, comprise entre 3 et 10 micromètres. De même, à la figure 5, sont représentées des courbes de calibrage pour les cinq gaz anesthésiants A, B. C, D, E et le troisième filtre 5c présentant une plage de longueurs d'ondes de transmission, comprise entre 3 et 10 micromètres, différente de celle du premier filtre 5a et du deuxième filtre 5b. Aux figures 3 à 5 sont représentées, en tout, quinze courbes de calibrage qui indiquent les intensités de sortie pour chaque gaz A, B. C, D, E et pour chaque filtre 5a, 5b, 5c, en fonction de la pression partielle. Pour un mélange gazeux inconnu et chacun des trois filtres 5a, 5b S et 5c, on mesure l'intensité de sortie S" S2, S3 du rayonnement optique à infrarouge transmis à travers le mélange gazeux. Dans l'exemple, on obtient, pour le premier filtre 5a, S. = 5, pour le deuxième filtre 5b, Sz = 7 et pour le troisième filtre 5c, S3= 6. Le tableau de la figure 6 indique, pour chacune des dix paires du mélange, et qui sont constituées de deux des cinq gaz anesthésiants A, B. C, D, E possibles, les paires de pressions partielles qui, lorsque les paires du mélange concernées apparaissent avec ces pressions partielles, aboutissent aux valeurs S.', S2', S3' pour les intensités de sortie, qui correspondent le mieux aux intensités de sortie S., S2, S3 mesurées. La détermination d'une paire de pressions partielles, à partir des courbes de calibrage préalablement élaborées aux figures 3 et 5, va maintenant être expliquée à l'appui de l'exemple d'une paire du mélange A- B constituée des gaz anesthésiants A et B. Tout d'abord, suivant la loi de Lambert et de Beor, on calcule I'intensité de sortie SAB mesurée pour la paire du mélange A-B, pour chaque filtre, comme produit des intensités de sortie SA et SB des différents gaz A et B qui composent la paire du mélange A-B, qui sont multipliéss par un facteur de correction KAB: SAB = SA X SB X eXP( KAB). Le facteur de correction exp(-KAB) dépend du filtre 5a, 5b, 5c et de sa plage de longueurs d'ondes de transmission spécifique et dépend également des interactions entre les molécules des gaz A et B. Les facteurs de correction peuvent étre préalablement déterminés pour toutes les paires du mélange, en calculant, pour un nombre réduit de pressions partielles, les facteurs de correction correspondants et en interpolant les autres facteurs de correction à partir de ceux-ci. Il est également envisageable de déterminer préalablement les facteurs de correction, de façon expérimentale. Les intensités de sortie SAB, SA, SB sont converties en extinctions IAB, IA, IB, les relations suivantes existant entre les intensités de sortie et les extinctions: IAB = - In SAB, IA = - In SA, IB = - In SB. L'équation ci-dessus se transforme ensuite en IAB= IA + IB + KAB. Ces conversions sont effectuées pour les trois filtres 5a, 5b, 5c et on obtient le système d'équations suivant, avec les vecteurs tridimensionnels IAB, IA, IB et KAS: IAB = IA + IB + KAB. Il est procédé à l'approximation des vecteurs IA et IB, dont les composantes représentent respectivement!es extinctions des ga A et B au niveau des trois différents filtres, grâce aux fonctions polynomiales PA = PA (PA) et PB = PB (PS), et l'équation suivante s'applique: IAB PA (PA) + PB PB (PB) + KAB. Dans l'exemple, pour les polynomes PA (PA) et PB (PB), respectivement une droite est choisie: PA (PA) = mA X PA + a et PB (PB) = mB X PB + b. Les vecteurs mA et mB désignent, dans ce cas, les directions des droites, les vecteurs a et b désignent des vecteurs de position, à travers lesquels passent les droites. L'équation se transforme alors en IAB = mA X PA + a + mB x PB + b + KAB. On se trouve ainsi en présence d'un système d'équations linéaire, avec trois équations pour les deux valeurs inconnues PA et PB, c'est-à-dire que les valeurs PA et PB que l'on recherche sont surdéterminées. A l'aide de méthodes habituelles d'algèbre linéaire, les pressions partielles PA* et PB* sont donc déterminées de telle sorte que l'écart entre les intensités de sortie mesurées et les intensités de sortie calculées à l'aide du système d'équations ci-dessus soit minime. Les valeurs indiquées au tableau de la figure 6 sont toutes calculées de la même façon que les pressions partielles PA* et PB*. Le tableau de la figure 7 indique, pour chacune des dix paires du mélange possibles, les intensités de sortie S.', pour le premier filtre 5a, S2', pour le deuxième filtre 5b et S3', pour le troisième filtre 5c, qui sont calculées à partir des pressions partielles du tableau de la figure 6. Pour calculer les intensités de sortie S.', S2', S3', à partir des pressions partielles, on s'appuie sur la loi de Lambert et Beor, et il est toujours supposé que la pression totale est connue, de sorte qu'on calcule la concentration du gaz à partir du quotient de la pression partielle et de la pression totale. On procède à une mise en équation d'un produit. Cela signifie que l'intensité de sortie, pour chaque paire du mélange, est utilisée comme produit des intensités de sortie des différents gaz présents dans la paire du mélange. Le tableau à la figure 8 indique, dans les colonnes 2 à 4, pour chacune des dix paires du mélange possibles de la colonne 1, I'écart, c'est-à- dire la valeur de la différence entre l'intensité de sortie calculée S.', S2', S3', et I'intensité de sortie effectivement mesurée S" S2, S3, au niveau des filtres 5a, 5b, 5c. Dans la cinquième colonne, pour chaque paire du mélange est indiquée la somme des écarts, c'est-à-dire des valeurs des différences, calculées aux colonnes 2 à 4 et, dans la sixième colonne figure, pour chaque paire du mélange, la somme du carré des écarts, calculés aux colonnes 2 à 4. Aux cinquième et sixième colonnes, on prédéfinit donc une échelle d'écarts en fonction de laquelle on juge laquelle des dix paires du mélange possibles est identifiée comme étant le mélange gazeux inconnu et quelles sont les deux pressions partielles correspondantes qui sont sélectionnées. Dans le présent exemple, aussi bien suivant l'échelle d'écarts de la somme d'écarts [ ilS, - i'l = 0,21 que suivant l'échelle d'écarts de la somme du carré des écarts I de sortie mesurces S" S2, S3. REVENDICATIONS 1. Procédé d'identification et de détermination de la pression partielle de deux gaz dans un mélange gazeux inconnu constitué de n gaz possibles, grâce à la mesure du rayonnement optique à infrarouge, émis par une source de rayonnement (1) et transmis par l'intermédiaire d'une cuvette (3) contenant le mélange gazeux inconnu, rayonnement qui passe à travers m filtres (5a, 5b, 5c, 5d) avec différentes plages de longueurs d'ondes de transmission, en aval desquels est monté au moins un détecteur (6a, 6b, 6c, 6d) pour mesurer et transmettre les intensités de sortie du rayonnement à une unité d'évaluation et de mesure (2), le chiffre n étant supérieur à deux et le chiffre m inférieur à n, procédé qui comprend les étapes suivantes: a) pour chacun des n gaz et chacun des m filtres (5a, 5b, 5c, 5d', on élabore tout d'abord une courbe de calibrage décrivant dans quelle mesure l'intensité de sortie du rayonnement optique à infrarouge, transmis par le gaz et ayant passé à travers le filtre (5a, 5b, 5c, 5d), dépend de la pression partielle du gaz, b) pour le mélange gazeux inconnu et chacun des m filtres (5a, 5b, c, 5d), le détecteur (6a, 6b, 6c, 6d), monté en aval, au nombre minimum d'un, mesure ensuite l'intensité de sortie du rayonnement optique à infrarouge, transmis par ie mélange gazeux, qui est passé à travers le filtre (5a, 5b, c, 5d), et le résultat est transmis à l'unité d'évaluation et de commande (2), c) pour chacune des paires du mélange possibles, qui comprennent chacune deux des n gaz possibles, I'unité d'évaluation et de commande (2) détermine, à partir des intensités de sortie calculées lors de I'étape a), la paire de pressions partielles dont les intensités de sortie associces correspondent le mieux aux intensités de sortie mesurées lors de l'étape b), suivant une échelle d'écarts prédéterminée dans l'unité d'évaluation et de mesure (2), d) les deux gaz de la paire du mélange, et la paire de pressions partielles déterminée lors de l'étape c), dont les intensités de sortie associces correspondent le mieux aux intensités de sortie mesurées, suivant l'échelle d'écarts prédéterminée, sont identifiés, par l'unité d'évaluation et de commande (2), comme étant les gaz du mélange gazeux inconnu. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange gazeux inconnu est constitué de n = 5 gaz possibles. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les n = 5 gaz sont les cinq gaz anesthésiants suivants: I'halothane, I'enflurane, I'isoflurane, le sévoflurane et le desflurane. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le S rayonnement optique à infrarouge passe à travers m = 3 filtres (5a, 5b, 5c). 5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le rayonnement optique à infrarouge passe à travers m = 4 filtres (5a, 5b, 5c, 5d). 6. Procédé selon l'une des revendications l à 5, caractérisé en ce que l'échelle d'écarts prédéterminée est la somme des écarts entre les m intensités de sortie de l'une des paires du mélange, pour une paire déterminée de pressions partielles, et des m intensités de sortie mesurées du mélange gazeux inconnu. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échelle d'écarts prédéterminée est la somme du carré des écarts IS des m intensités de sortie de l'une des paires du mélange, pour une paire déterminée de pressions partielles, et des m intensités de sortie mesurées du