Brevet FR2904689A1 — publié le 20080208

--> Organe. de.. prélèvement de gaz La présente invention se rapporte à un organe permettant le prélèvement d'un échantillon gazeux dans un volume restreint contenu dans une enceinte en vue de son analyse. Les systèmes d'analyse de gaz connus prélèvent un flux déterminé de mélange gazeux à la sortie d'une enceinte pour l'analyser. La plupart des analyseurs usuellement utiiisés pour détecter la présence de trace de gaz (de l'ordre du ppm) comportent des petites pompes d'échantillonnage. Ces pompes ne fonctionnent correctement que dans des conditions données de pression et de flux d'entrée en n'admettant que des variations limitées de la valeur de ces paramètres : Q (flux) ~ S (vitesse de pompage) * P (pression) C'est le cas par exemple pour les spectrométres à mobilité ionique (IMS) qui ne fonctionnent qu'à une pression de l'ordre de la pression atmosphérique (entre 700 et 1150 hPa). Le prélèvement d ' un échantillon aux fins d'analyse dans une enceinte de faible volume entraîne une diminution de la pression à l'intérieur de l'enceinte, et donc une impossibilité de poursuivre ia mesure puisque rapidement îes échantillons prélevés ensuite seront à une pression inférieure à la pression nécessaire pour permettre à l'analyseur de faire une mesure. En outre îa pression à l'intérieur de l'enceinte est variable, en diminution constante au fur et à mesure des prélèvements. Pour pallier cette chute de pression, il a été proposé d'injecter dans l'enceinte un gaz neutre, simultanément au prélèvement, afin d'y maintenir une pression sensiblement constante et proche de la pression atmosphérique. Il devient alors possible d'effectuer la mesure sur plusieurs échantillons successifs. Cependant cette injection entraîne une dilution du gaz à analyser, et par conséquent dégrade la qualité de la mesure. Cette solution ne peut pas être mise en œuvre pour la mesure d'échantillons gazeux présents en très faible quantité, pour lesquels on doit au contraire garantir absolument S'étanchêϋê parfaite de l'enceinte qui les contient. D'autre part, il n'est pas envisageable d'augmenter le volume de l'enceinte contenant l'échantillon à analyser afin -->d'avoir un flux ou une pression constante sur une durée plus longue. En effet un volume plus grand engendre également la dilution des espèces gazeuses à analyser. Le document US-4,042,333 décrit un procédé pour mesurer par une méthode photométrique la présence d'une très faible concentration de NOx dans un gaz. Le problème posé est d'améliorer la sensibilité de la mesure pour des faibles concentrations. La solution consiste à comprimer l'échantillon de gaz de manière à augmenter ia densité de présence des molécules à détecter. L'échantillon gazeux est envoyé dans une cellule d'échantillonnage d'un volume donné dans laquelle il se trouve à pression déjà élevée, par exemple à pression atmosphérique, La cellule d'échantillonnage est précédée d'un long tube mince, contenant également l'échantillon, et dont le volume est supérieur à celui de ia cellule, Au moment d'effectuer la mesure, on introduit dans le tube un autre gaz, sans effet sur ia mesure, à une pression telle qui! exerce une force sur l'échantillon à analyser pour le chasser du tube vers la cellule d'échantillonnage en augmentant ainsi sa pression, La solution proposée est complexe car eue nécessite deux étapes dans le prélèvement ; la première au cours de laquelle un échantillon gazeux est isolé, suivie d'une seconde étape au cours de laquelle cet échantillon gazeux est comprimé. Le document US-2004/0,035,183 décrit un dispositif pour l'analyse de gaz par chromatographie ou spectrométrie. Le procédé comprend le prélèvement d'un échantillon de gaz, par exemple à pression atmosphérique, suivi de sa compression. Le dispositif comprend une vanne d'accès multï-positions respectivement reliée à une pompe pour prélever l'échantillon à analyser, à une boucle d'échantillonnage recevant l'échantillon, à une vanne de compression associée à une réserve de gaz porteur sous pression, et à un analyseur. Lorsque ia vanne d'accès est en position d'échantillonnage, la pompe envoie le flux gazeux dans ia boucle et le gaz porteur est envoyé directement à l'analyseur. En position d'injection, le gaz porteur est introduit dans la boucle et pousse l'échantillon de gaz vers l'analyseur. Ce procédé se décompose également en deux étapes, l'une de prélèvement et la seconde de compression. La première étape comporte en plus une pompe de prélèvement qui attire l'échantillon vers la boucle d'échantillonnage, avant que l'échantillon ne soit comprimé par les moyens de compression pneumatiques. Les solutions connues de l'art antérieur ne permettent pas une mesure par un analyseur qui nécessite une vitesse de pompage constante à l'entrée. Elles ne -->permettent pas non plus une détection des espèces gazeuses effectuée sans dilution. En effet dans les deux solutions proposées, il est nécessaire d'isoler le mélange gazeux que l'on souhaite analyser, puis de le comprimer. Ce procédé ne permet pas d'obtenir un fiux constant à l'entrée de l'analyseur et ne permet pas non plus d'éviter la dilution de l'échantillon, La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients de l'art antérieur sans dégradation de la qualité de la mesure, en proposant un système permettant de prélever un échantillon de gaz à analyser dans une enceinte de faible volume, tout en garantissant que l ' échantillon arrivera à une pression stable et un fiux constant à l'entrée du dispositif d'analyse, ia pression étant de préférence sensiblement de l'ordre de grandeur de la pression atmosphérique. La présente invention a encore pour but de proposer un procédé de prélèvement et d'analyse d'un échantillon de gaz dans une enceinte de faible volume permettant d'effectuer une mesure sans provoquer de dilution de l'échantillon à analyser. L'objet de la présente invention est un organe de prélèvement d'un échantillon de gaz dans une enceinte en vue de son analyse comprenant une entrée de gaz communiquant avec l'atmosphère interne de l'enceinte à une pression Pi, et une sortie de gaz à une pression Pf supérieure à Pi pour diriger le gaz vers un analyseur de gaz incluant une pompe d'échantillonnage, caractérisé en ce qu'il comprend : - une pompe admettant un gaz à une pression Pi inférieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et refoulant le gaz à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et - un contrôleur de conductance, placé au refoulement de la pompe, produisant un flux gazeux de valeur constante et du même ordre de grandeur que la vitesse de pompage de la pompe d'échantillonnage de l'analyseur. En effet, si on connecte directement l'analyseur à l'enceinte, la pression dans le volume va rapidement baisser puisque l'on préiève ie gaz. L'analyseur ne fonctionnant qu'à une pression constante, et de préférence proche de la pression atmosphérique, sa mesure sera altérée voir impossible. La pompe a pour fonction de diriger le gaz à étudier vers l'analyseur en le comprimant, l ' analyseur est donc raccordé en série au refoulement de îa pompe. Ce montage permet à la pompe de prélever l'échantillon et de le comprimer simultanément -->à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et ce quelle que soit la pression à l'intérieur de l'enceinte. De préférence ia pompe est une pompe à membrane ou de toute autre technologie adaptée pour de ne pas polluer l'échantillon de gaz à analyser. Un contrôleur de conductance muni d'une restriction, tel qu'un contrôleur de débit massique ou un contrôleur de pression est connecté en série au refoulement de ia pompe, afin d'ajuster la pression ou le débit massique de manière à obtenir un fiux d'une valeur stable et acceptable par l'analyseur de gaz. De préférence l'analyseur de gaz est un spectro ètre à mobilité ionique (IMS), capable de mesurer îa mobilité des ions, pour assurer la détection des iraces de gaz et pour en mesurer la concentration. L'analyseur de gaz comprend une pompe d'échantillonnage, ayant une vitesse de pompage voisine de 200 mî/rnin, qui impose un flux constant à une pression proche de la pression atmosphérique à l'entrée de l'analyseur. L'analyseur comprend également un détecteur de gaz qui est situé en dérivation et en amont de la pompe. Dans le cas où le contrôleur de conductance, placé en sortie de la pompe de l'organe de prélèvement, est un contrôleur de débit massique, celui-ci aura un débii de l'ordre de 200 ml/min, ce qui correspond à un orifice de 0,02mm. On pourra également utiliser tout autre type d'analyseur de gaz nécessitant un flux régulé à pression constante, comme un spectromeîre â Infra Rouge à transformer de Fourier (FTIR). Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'organe de prélèvement comporte en outre un détendeur, relié au refoulement de la pompe, portant le gaz à une pression P2 inférieure à PI mais supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur. Dans ce cas la pompe doit être capable de comprimer suffisamment les gaz afin d'assurer une surpression en amont du détendeur. Ainsi ce dernier pourra fonctionner correctement et garantir une surpression constante au contrôleur de conductance. Selon un autre mode de réalisation l'organe de prélèvement comporte en outre un contrôleur de conductance auxiliaire placé avant la pompe. Ce contrôleur est de préférence un contrôleur de débit qui vise à s'affranchir des variations de débit ou de pression de la pompe qui le suit, 1! est utilisé pour contrôler le temps de descente en pression de l'encetnte. --> La présente invention a encore pour objet un système à atmosphère contrôlée comprenant une enceinte contenant du gaz, un organe de prélèvement d'un échantillon de gaz communiquant avec l'atmosphère interne de l'enceinte et un analyseur de gaz incluant une pompe d'échantillonnage, caractérisé en ce que l'organe de prélèvement comprend : - une pompe admettant un gaz à une pression Pi inférieure a la pression d'entrée de l'analyseur, et refoulant le gaz à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et - un contrôleur de conductance, placé au refoulement de ia pompe, produisant un flux gazeux de valeur constante et du même ordre de grandeur que la vitesse de pompage de la pompe d'échantillonnage de l'analyseur. Avantageusement l'enceinte est étanche. En effet une fuite, même minime pourrait entraîner une dilution des gaz à analyser et rendre imprécise, voire inexacte la mesure. Les enceintes sont généralement des enceintes destinées à être mise sous vide et de ce fait parfaitement hermétiques. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'organe de prélèvement comporte en outre un détendeur, relié au refoulement de la pompe, portant le gaz à une pression P2 inférieure à P1 mais supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur. Selon un autre mode de réalisation, l'organe de prélèvement comporte en outre à l'entrée un contrôleur de conductance auxiliaire placé avant ia pompe quî lui succède, La présente invention a aussi pour objet un procédé de prélèvement d'un échantillon de gaz dans une enceinte en vue de son analyse au moyen de l'organe de prélèvement décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes: (a) on admet dans l'organe de prélèvement un gaz provenant de l'atmosphère interne de l'enceinte a une pression Pi inférieure à la pression d'entrée de l'analyseur, (b) on porte le gaz à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de i'analyseur, et (c) on régularise le flux du gaz à ia sortie de l'organe pour l'envoyer vers l'analyseur à un flux constant. Le flux du gaz à la sortie de l'organe doit être régulé de manière à être maintenu constant à l'arrivée de l'échantillon sur l'analyseur. --> La pression P1 a une valeur variable. En effet au fur et à mesure du pompage de l'enceinte, la pression P1 va d'abord augmenter sous l'action de la pompe, puis P1 va diminuer lorsque l'enceinte sera en partie vidée des gaz injectés vers l'analyseur. Salon un mode de réalisation particulier de l'invention, le procédé comprend en outre, entre les étapes (b) et (c), l'étape (b ! ) suivante ; (b') on détend le gaz à une pression P2 inférieure à P1 mais supérieure à la pression d'entrée de l ' analyseur. De préférence la pression P2 a une valeur constante, pour permettre un fonctionnement stable du contrôleur de conductance. Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre, entre les étapes (a) et (b), l ' étape (a') suivante : (a') on régularise ie flux du gaz à l'entrée de l'organe pour l'envoyer vers la pompe. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, donné bien entendu à titre iϋustratif et non limitatif, et dans le dessin annexé sur lequel - îa figure 1 représente un système à atmosphère contrôlée conforme à la présente invention, - la figure 2 montre une variante de réalisation de ce système, Le système 1 de la figure 1 comprend un organe de prélèvement 2 d'un échantillon de gaz dans l'atmosphère interne d'une enceinte 3 avec laquelle il communique, en vue de son analyse par un analyseur 4 qui est relié à la sortie de l'organe 2. L'enceinte 3 est de préférence étanche de manière à permettre une mesure précise. En effet lorsque que l'on va prélever l'échantillon de gaz, si l'enceinte 3 présente une fuite, même minime, il se produira une dilution des gaz à analyser. L'enceinte 3 contient une atmosphère interne qui peut par exemple se trouver à une pression un peu inférieure à ia pression atmosphérique Pat , Le gaz à analyser est prélevé dans l'enceinte 3 par l'organe 2 au moyen d'une pompe 5 ulîra-pure, de manière à éviter toute pollution du gaz à analyser. A la sortie de la pompe 5, ie gaz est refoulé à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur. Un détendeur 6 permet d'imposer une pression P2, supérieure à la pression d'entrée de i'analyseur mais --> inférieure à PI , de préférence stable, afin d'assurer le bon fonctionnement d'un contrôleur de conductance 7, par exemple un contrôleur de débit massique qui lui est relié. Le contrôleur de débit massique 7 peut être notamment un orifice caiibré ou encore une microfuite. Le contrôleur ? est réglé au débit souhaité pour le fonctionnement 5 optimal du système d'analyse de gaz de manière à ce que l'échantillon de gaz à analyser parvienne à l'analyseur 4 à un flux constant et à une pression finale Pf stable, et de préférence sensiblement du même ordre de grandeur que ia pression atmosphérique Pai , Sur la figure 2 S on a représenté une variante de réalisation du système 20 selon ι o îa présente invention. Le système 20 comporte une enceinte 21 qui communique avec un organe de prélèvement 22 d'un échantillon de gaz en vue de son analyse par un analyseur 23. L'échantiîlon de ga2 à analyser traverse, dès sa sortie de l'enceinte 21 , un premier contrôleur de conductance 24 pour en contrôler ie débit. Le contrôleur 24 permet de s'affranchir de la variation de débit ou de pression de la pompe 25 qui lui succède. 15 Entre la pompe 25 ei le contrôleur de conductance 26 qui la suit, on dispose une vanne 27,permettant d'évacuer éventuellement une partie des gaz que l'on ne souhaite pas analyser, A la sortie de l'organe de prélèvement 22, on place un clapet 28 au niveau duquel se produit en permanence une légère fuite contrôlée. En effet on s'arrange pour réguler le débit à la sortie du contrôleur 26 à une valeur très légèrement supérieure à la 20 vitesse de pompage de la pompe d'échantillonnage contenue dans l'analyseur de gaz 23. Le clapet 28 a pour rôle d'évacuer la surpression qui en résulte. --> REVENDICATIONS 1. Organe de prélèvement d'un échantillon de gaz dans une enceinte en vue de son analyse comprenant une entrée de gaz communiquant avec l'atmosphère interne de l'enceinte à une pression Pi, et une sortie de gaz à une pression Pf supérieure à Pi 5 pour diriger le gaz vers un analyseur de gaz qui comporte une pompe d'échantillonnage, caractérisé en ce qu'il comprend : - une pompe admettant un gaz à une pression Pi inférieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et refoulant le gaz à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et iθ - un contrôleur de conductance, placé au refoulement de la pompe, produisant un flux gazeux de vaîeur constante et du même ordre de grandeur que la vitesse de pompage de la pompe d'échantillonnage de i'analyseur. 2, Organe selon la revendication 1, dans lequel îa pompe est une pompe à membrane. 15 3. Organe selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le contrôleur de conductance est choisi parmi un contrôleur de débit massique et un contrôleur de pression, 4. Organe selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'analyseur de gaz est un spectromètre à mobilité ionique (IMS), 20 5. Organe selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'analyseur de gaz est un spectromètre à Infra Rouge à transformer de Fourîer (FTIR), 8, Organe selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un détendeur, relié au refoulement de la pompe, portant le gaz à une pression P2 inférieure à P1 mais supérieure à la pression d'entrée de l'anaîyseur. 25 7. Organe selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un contrôleur de conductance auxiliaire placé avant la pompe, 8, Système à atmosphère contrôlée comprenant une enceinte contenant du gaz, un organe de prélèvement d'un échantillon de gaz communiquant avec --> l'atmosphère interne de l ' enceinte et un analyseur de gaz comprenant une pompe d'échantillonnage, caractérisé en ce que l'organe de prélèvement comprend : - une pompe admettant un gaz à une pression Pi inférieure à la pression d'entrée de l'analyseur, et refoulant le gaz à une pression P1 supérieure à la pression 5 d'entrée de l'analyseur, et - un contrôleur de conductance, placé au refoulement de îa pompe, produisant un fiux gazeux de valeur constante et du même ordre de grandeur que la vitesse de pompage de la pompe d'échantiiionnage de l'analyseur. 9, Système selon la revendication 7, dans lequel l'enceinte est étanche. ù 10. Système selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel l'organe de prélèvement comporte en outre un détendeur, relié au refoulement de la pompe, portant le gaz à une pression P2 inférieure à P1 mais supérieure à ia pression d'entrée de l'analyseur. 1 1. Système seîon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel l'organe de 5 prélèvement comporte en outre un contrôleur de conductance auxiliaire placé avant la pompe, 12. Procédé de prélèvement d'un échantillon de gaz dans une enceinte en vue de son analyse au moyen de l'organe de prélèvement selon l'une des revendication 1 à 6, comprenant les étapes suivantes: 0 (a) on admet dans l'organe de prélèvement un gaz provenant de l'atmosphère interne de l ' enceinte à une pression Pi inférieure à îa pression d'entrée de l'analyseur, (b) on porte le gaz à une pression P1 supérieure à la pression d'entrée de l ' analyseur, et (c) on régularise le fiux eu gaz à la sortie de l'organe pour l ' envoyer vers 5 l'analyseur à un fiux constant 13. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre, entre les étapes (b) et (c), l ' étape (b') suivante : (b') on détend le gaz à une pression P2 inférieure à P1 mais supérieure à la pression d'entrée de l'analyseur. 0 14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la pression P2 a une valeur constante. --> 15. Procédé selon la revendication 10, comprenant en outre, entre les étapes (a) et (b), l'étape (a") suivante : (a") on régularise le fiux du gaz à l'entrée de l'organe pour l'envoyer vers la pompe. 16, Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel la pression Pf est sensiblement du même ordre de grandeur que ia pression atmosphérique.