Brevet FR2906368A1 — publié le 20080328

L'invention concerne un dispositif de mesure de concentration gazeuse destiné à déterminer la teneur en anesthésiques à inhaler, dioxyde de carbone et gaz hilarant dans un échantillon gazeux. Pour mesurer la concentration gazeuse de gaz anesthésiques, tels que les anesthésiques à inhaler, le dioxyde de carbone et le gaz hilarant, on utilise souvent des systèmes optiques à infrarouge équipés de filtres d'interférence. Un analyseur de gaz connu par le document DE 196 28 310 C2 est constitué d'une source de rayonnement, d'une plage de mesure recueillant l'échantillon gazeux et d'un détecteur qui est relié à un circuit d'évaluation. Grâce à un disque à filtres tournant, différents filtres d'interférence sont placés les uns après les autres dans la trajectoire du rayon, filtres dont les longueurs d'onde sont adaptées aux longueurs d'onde d'absorption des composants gazeux à détecter. Pour mesurer les anesthésiques à inhaler, les longueurs d'onde de transmission des filtres se situent dans une plage comprise entre 8 micromètres et 12 micromètres, tandis qu'en ce qui concerne le gaz hilarant et le dioxyde de carbone, les longueurs d'onde de transmission se situent entre 3,5 micromètres et 4,5 micromètres. Dans le cas de l'analyseur de gaz connu, huit filtres d'interférence sont disposés sur le disque à filtres. II est prévu, en outre, un procédé d'analyse permettant d'identifier les anesthésiques à inhaler. Etant donné que la mesure de concentration gazeuse est réalisée uniquement à l'aide d'une source de rayonnement et d'un détecteur, les effets de dérive peuvent être compensés avec des frais acceptables. Cependant, le procédé de mesure utilisé, qui a recours à des éléments en mouvement, est très coûteux et soumis à l'usure. Etant donné le nombre de filtres d'interférence qu'il faut loger sur le disque à filtres, un tel système de mesure ne peut pas être miniaturisé. Etant donné que les filtres d'interférence sont toujours associés à certaines longueurs d'onde de transmission des composants gazeux à détecter, il n'est pas possible de détecter d'autres hydrocarbures, comme par exemple les alcools ou le méthane, qui peuvent également être présents dans le gaz respiratoire, sans ajouter de filtre d'interférence supplémentaire. Ces hydrocarbures portent préjudice aux mesures de concentration gazeuse des autres composants des gaz anesthésiques. Par rapport à une mesure d'absorption par infrarouge, un dispositif formant interféromètre variable, sur la base d'un interféromètre de Fabry Pérot, offre certains avantages avec les longueurs d'onde qui sont déterminées par les filtres d'interférence. Un tel interféromètre de Fabry Pérot est constitué de 2906368 2 deux miroirs semi-argentés, orientés parallèlement l'un à l'autre, dont la distance l'un par rapport à l'autre est modifiée. Grâce à la variation de l'écartement entre les miroirs, on dispose de la possibilité d'évaluer un domaine spectral défini. Grâce à la technologie du film fin en silicium, il est possible de 5 fabriquer à peu de frais ce type d'interféromètre sous forme miniaturisée. Un interféromètre du type évoqué est connu par le document US 5,561,523. Cependant, l'interféromètre connu ne permet pas de couvrir la plage de longueurs d'onde qu'il faut analyser pour mesurer la concentration gazeuse de gaz anesthésiques. 10 L'invention a pour but de fournir un dispositif de mesure de la concentration gazeuse permettant de mesurer des gaz anesthésiques à l'aide d'un dispositif miniaturisé. Ce but est atteint grâce à un dispositif de mesure de gaz pour anesthésiques à inhaler, dioxyde de carbone et gaz hilarant, comprenant une 15 source de rayonnement émettant dans deux domaines spectraux MI, AÀ2, une paire de miroirs réfléchissants dont la distance l'un par rapport à l'autre peut être modifiée sur la base d'un interféromètre de Fabry Pérot désaccordable sous champ électrique, miroirs qui présentent des transmissions correspondant aux domaines spectraux MI, M2, une cuvette de mesure de gaz destinée à 20 recevoir l'échantillon gazeux à analyser, un élément détecteur analysant les domaines spectraux MI, 0M2 et une unité d'activation qui détermine la gamme dynamique avec une fréquence f2 pour la variation de l'écartement des miroirs de telle sorte qu'un premier domaine spectral 0M soit détecté dans la plage de transmission comprise entre approximativement 3,5 et 4,5 micromètres et 25 qu'un deuxième domaine spectral AÀ2 puisse être détecté dans la plage de transmission entre approximativement 8 et 12 micromètres. L'avantage apporté par l'invention réside essentiellement en ce que les miroirs d'un interféromètre de Fabry Pérot sont métallisés sous vide de telle sorte que les transmissions soient possibles dans deux domaines spectraux 30 qui sont associés aux composants de gaz anesthésiques qu'il convient de détecter. Les domaines spectraux correspondent dans ce cas aux transmissions de premier et de deuxième ordre du spectre. L'écartement entre les miroirs de l'interféromètre de Fabry Pérot est modifié de telle sorte que les deux domaines spectraux soient détectés et les deux domaines spectraux sont 35 analysés simultanément à l'aide d'un élément détecteur. 2906368 3 Avantageusement, la source de rayonnement est constituée par une première source de rayonnement rapidement modulable dont la plage d'émission est inférieure à 6 micromètres et par une deuxième source de rayonnement conformée en émetteur à large bande, pour la plage comprise 5 entre 8 micromètres et 12 micromètres. De façon avantageuse, une troisième source de rayonnement forme une unité constructive comprenant par exemple un émetteur modulable, sous la forme d'un filament de tungstène, sur laquelle est posée une ampoule en verre quartzeux qui sert d'émetteur à large bande. 10 Selon un mode d'exécution, des moyens sont prévus pour séparer les signaux de mesure qui sont associés aux domaines spectraux MI, AÀ2. Selon une autre forme de réalisation, le paramètre de séparation des signaux de mesure SI, S2 qui sont associés aux domaines spectraux MI, AÀ2 est constitué par les fréquences f2 et par le décalage de phase entre 15 l'émetteur modulable et l'émetteur à large bande. Un exemple d'exécution de l'invention est représenté sur le dessin et va maintenant être expliqué plus en détail. La figure 1 représente schématiquement la structure d'interféromètre de Fabry Pérot à bande double, 20 La figure 2 représente un premier dispositif de mesure de la concentration gazeuse comprenant deux sources de rayonnement, La figure 3 représente un deuxième dispositif de mesure de la concentration gazeuse comprenant une source de rayonnement unique. La figure 1 représente schématiquement la structure d'un 25 interféromètre de Fabry Pérot 1 à fréquence variable, dans lequel deux miroirs 2, 3 sont montés fixement et parallèlement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une entretoise 4. L'entretoise 4, qui est reliée à une unité de commande 5, permet de faire varier l'écartement x qui existe entre les miroirs 2, 3. Les miroirs 2, 3 sont constitués par des substrats 6, 7 dont les surfaces sont 30 revêtues de revêtements 8, 9 réfléchissants. Les propriétés de transmission des revêtements 8, 9 sont conçues pour permettre d'analyser des domaines spectraux prédéterminés. Les domaines spectraux MI, M2 qu'il est possible d'analyser couvrent les longueurs d'onde comprises entre 3,5 micromètres et 4,5 micromètres et 8 micromètres à 12 micromètres. 35 On suppose qu'un faisceau de travail 10 est dirigé verticalement sur la surface du miroir 2 supérieur. Les transmissions des miroirs 2, 3 sont 2906368 4 fonction de l'écartement entre miroirs x. L'unité de commande 5 est réglée de telle sorte qu'il est possible d'avoir un désaccord des transmissions à l'intérieur des domaines spectraux prévus. L'interféromètre 1 selon la figure 1 sera appelé, ci-après, interféromètre de Fabry Pérot à double bande. 5 La figure 2 représente schématiquement un premier dispositif de mesure de gaz 100 équipé de l'interféromètre de Fabry Pérot à double bande 1 de la figure 1. Le premier dispositif de mesure de gaz 100 contient une première source de rayonnement 11, une deuxième source de rayonnement 12, une 10 cuvette de mesure de gaz 13 placée en aval, destinée à l'échantillon gazeux à analyser, avec une entrée de gaz 14 et une sortie de gaz 15, l'interféromètre de Fabry Pérot à double bande 1 avec l'unité de commande 5, un détecteur à double bande 19, une unité d'évaluation 16 destinée à séparer les signaux de mesure SI, S2 associés aux domaines spectraux AÀ1, AÀ2 et des sorties de 15 signaux 17, 18 destinées aux signaux de mesure SI, S2 associés aux domaines spectraux AÀ1, AÀ2 Les mêmes composants portent les mêmes références qu'à la figure 1. La première source de rayonnement 11 est conformée en source de rayonnement rapidement modulable, qui émet jusqu'à une longueur d'onde 20 d'approximativement 6 micromètres. Les domaines spectraux AÀ1, AÀ2 qu'il est possible d'analyser couvrent les longueurs d'onde comprises entre 3,5 micromètres et 4,5 micromètres et 8 micromètres à 12 micromètres. La première source de rayonnement 11 est de préférence constituée d' un fin filament de tungstène enroulé, d'une épaisseur de 6 micromètres à 8 25 micromètres. La fréquence de modulation fi est comprise dans une plage entre 11 Hz et 25 Hz. La deuxième source de rayonnement 12, qui fonctionne en mode de tension continue, est un émetteur à large bande, qui couvre la plage de longueurs d'onde entre 8 micromètres et 12 micromètres. Les faisceaux de travail 20, 21 émis par les sources de 30 rayonnement 11, 12 parviennent, par l'intermédiaire de la cuvette de mesure de gaz 13 et de l'interféromètre de Fabry Pérot à double bande 1, dans le détecteur à double bande 19. L'interféromètre 1 est désaccordé par la fréquence f2. Le signal de mesure livré par le détecteur à double bande 19 est composé d'une superposition des faisceaux de travail 20, 21 fournis par les 35 sources de rayonnement 11, 12. Dans l'unité d'évaluation 16, qui fonctionne selon le procédé dit de lock-in, les signaux de mesure SI, S2 sont préparés, en 2906368 5 y associant les fréquences f, et f2 de telle sorte qu'ils puissent être associés aux domaines spectraux AÀ1, AÀ2 et qu'ils soient disponibles, aux sorties de signaux 17, 18, en tant que signaux de mesure SI et S2. La figure 3 représente un deuxième dispositif de mesure de 5 gaz 200 dans lequel, par rapport au premier dispositif de mesure de gaz 100 de la figure 1, les sources de rayonnement 11, 12 ont été remplacées par une troisième source de rayonnement 22 unique. Les mêmes composants portent les mêmes références qu'aux figures 1 et 2. La troisième source de rayonnement 22 est constituée d'un fin 10 filament de tungstène 23 enroulé, d'une épaisseur d'approximativement 6 micromètres à 8 micromètres, qui fonctionne à une tension modulée de la fréquence f,. Le filament de tungstène 23 est logé dans une ampoule 24 en verre quartzeux, qui sert d'émetteur passif. L'ampoule 24 en verre quartzeux est dimensionnée de telle sorte qu'elle permet une transmission du 15 rayonnement émis par le filament de tungstène 23 allant jusqu'à approximativement 6 micromètres. Le filament de tungstène 23 permet ainsi de couvrir le domaine spectral comprenant les longueurs d'onde comprises entre 3,5 micromètres et 4,5 micromètres. L'ampoule 24 en verre quartzeux qui est chauffée par le filament de tungstène 23 est dopée de telle sorte qu'elle émette 20 de préférence dans le domaine spectral compris entre 8 micromètres et 12 micromètres. L'ampoule 24 en verre quartzeux émet également le rayonnement à la fréquence fi du filament de tungstène 23, mais avec un décalage de phase de Aw par rapport au filament de tungstène 23. Dans une unité d'évaluation 25 montée en aval du détecteur de rayonnement à double 25 bande 19, le décalage de phase Aw est utilisé pour séparer les signaux de mesure S,, S2. En variante, ou en supplément, les températures de rayonnement TI, T2 qui sont associées aux domaines spectraux et qui résultent de l'équation de Planck, peuvent être utilisées pour identifier les domaines spectraux. Revendications 1. Dispositif de mesure de gaz pour anesthésiques à inhaler, dioxyde de carbone et gaz hilarant, comprenant - une source de rayonnement (11, 12, 22) émettant dans deux domaines spectraux MI, AÀ2 - une paire de miroirs réfléchissants (2, 3) dont la distance l'un par rapport à l'autre peut être modifiée sur la base d'un interféromètre de Fabry Pérot (1) désaccordable sous champ électrique, miroirs qui présentent des transmissions correspondant aux domaines spectraux 0M1, M2, - une cuvette de mesure de gaz (13) destinée à recevoir l'échantillon gazeux à analyser, - un élément détecteur (19) analysant les domaines spectraux MI, AÀ2 et -une unité d'activation (5) qui détermine la gamme dynamique avec une fréquence f2 pour la variation de l'écartement des miroirs (2, 3) de telle sorte qu'un premier domaine spectral AÀ1 soit détecté dans la plage de transmission comprise entre approximativement 3,5 et 4,5 micromètres et qu'un deuxième domaine spectral AÀ2 puisse être détecté dans la plage de transmission entre approximativement 8 et 12 micromètres. 2. Dispositif de mesure de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement est constituée par une première source de rayonnement (11) modulable avec une fréquence f, dont la plage d'émission est inférieure à 6 micromètres et par une deuxième source de rayonnement (12) conformée en émetteur à large bande. 3. Dispositif de mesure de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement qui sert de troisième source de rayonnement (22) forme une unité constructive avec un émetteur (23) modulable avec une fréquence F, sur lequel est montée une ampoule en verre quartzeux (24) qui sert d'émetteur à large bande. 4. Dispositif de mesure de gaz selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce sont prévus des moyens (16, 25) de séparation des signaux de mesure SI, S2 qui sont associés aux domaines spectraux MI, AÀ2. 2906368 7 5. Dispositif de mesure de gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que le paramètre de séparation des signaux de mesure SI, S2 qui sont associés aux domaines spectraux AÀ1, AÀ2 est constitué par les 5 fréquences f1, f2 et par le décalage de phase Aw entre l'émetteur modulable (11, 23) et l'émetteur à large bande (24).