Brevet FR3000548A1 — publié le 20140704

CAPTEUR DE CONCENTRATION DE CO2 La présente invention est relative aux dispositifs de mesure de concentration d'un gaz prédéterminé, en 5 particulier le CO2. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de mesure de la concentration d'un gaz prédéterminé, comprenant une cavité renfermant du gaz prédéterminé dans une concentration à mesurer, une source 10 de lumière apte à émettre des rayons lumineux notamment infrarouge dans la cavité, un détecteur infrarouge configuré pour recevoir une partie des rayons lumineux infrarouge dans une gamme spectrale prédéfinie correspondant à une forte absorption du gaz prédéterminé. 15 Il est connu dans l'art antérieur du document US8003944 de placer un second détecteur infrarouge pour créer un canal de référence qui permet de s'affranchir des dérives lentes liées par exemple au vieillissement de la lampe. Les détecteurs en question sont onéreux et 20 volumineux. De plus, leur consommation électrique est un inconvénient. Il est donc apparu un besoin d'optimiser ce genre de dispositif pour en diminuer le coût et l'encombrement, sans pour autant diminuer leurs performances et leur 25 précision. A cet effet, l'invention propose notamment un dispositif de mesure de la concentration d'un gaz prédéterminé, en particulier du CO2, comprenant : - une cavité renfermant un ensemble gazeux 30 contenant du gaz prédéterminé dans une concentration à mesurer, - une source de lumière 1, apte à émettre dans la cavité des rayons lumineux dans une gamme spectrale de base incluant du visible et de l'infrarouge, 35 - un détecteur 2 photosensible, configuré pour recevoir une partie des rayons lumineux dans une première gamme spectrale prédéfinie correspondant à une forte absorption du gaz prédéterminé, et pour transformer une puissance reçue en signal électrique - une photodiode 3 configurée pour recevoir une 5 partie des rayons lumineux dans une deuxième gamme spectrale prédéfinie correspondant à une faible absorption du gaz prédéterminé, - une unité de commande 7 configurée pour calculer la concentration du gaz prédéterminé en comparant un signal 10 électrique représentatif de la puissance lumineuse reçue par le détecteur 2 à un signal électrique représentatif de la puissance lumineuse reçue par la photodiode 3. Grâce à ces dispositions, on utilise un seul détecteur de type thermopile, et on dispose néanmoins d'un 15 canal de référence permettant d'éliminer du calcul les dérives rapides ou lentes du dispositif comme les défauts de jeunesse ou le vieillissement de la source lumineuse, la présence de condensation dans la cavité, l'encrassement de la cavité, etc... 20 Dans des modes de réalisation du procédé selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, prises isolément ou en combinaison : - le gaz prédéterminé peut-être particulièrement 25 du dioxyde de carbone CO2 et l'ensemble gazeux est l'air ambiant ; de sorte qu'on peut mesurer la concentration de CO2 dans l'air ambiant ; - le dispositif peut comprendre un filtre interposé entre la source et le détecteur, ledit filtre 30 étant centré sur la longueur d'onde Al = 4,26 um ; ainsi on peut mesurer principalement l'atténuation provoquée par le CO2 et éliminer d'autres phénomènes d'atténuation ; - la cavité peut avoir une forme générale tubulaire, ayant de préférence un diamètre inférieure à 10 35 mm et une longueur de préférence inférieure 10 cm, les rayons étant dirigés substantiellement selon une direction axiale X de la forme tubulaire ; moyennant quoi un tel dispositif peut être intégré dans un objet aux dimensions relativement modérées ; - la photodiode peut être agencée dans une 5 position radiale par rapport à la direction axiale X de la forme tubulaire ; de sorte que les dimensions peuvent être encore diminuées et l'intégration mécanique facilitée ; - la cavité peut être un tube en aluminium ou un tube en plastique revêtu sur sa surface interne d'un dépôt 10 métallique ; ainsi on dispose d'une cavité à la fois facile à fabriquer et présentant des bons coefficients de réflexion optique sur sa surface intérieure ; - la photodiode travaille avantageusement dans le domaine visible, soit une longueur d'onde À2 comprise entre 15 0,4 et 0,8 um ; de sorte qu'on utilise une photodiode peu coûteuse moyennant quoi le prix du capteur de CO2 est attractif ; - la source de lumière est une lampe à filament ou une diode électroluminescente Led, de préférence commandée 20 par une commande intermittente ; moyennant quoi on utilise une source lumineuse peu coûteuse et on limite la consommation électrique moyenne ; - le détecteur peut être de type thermopile ou de type pyroélectrique ou encore de type photodiode 25 travaillant dans le domaine infrarouge; et avantageusement on utilise un seul détecteur de ce type de sorte que le coût du capteur est limité ; - la consommation électrique cumulée du détecteur et de la photodiode est inférieure à 1 mA lorsqu'ils sont 30 activés pour une mesure ; de sorte que d'un tel capteur peut être embarqué dans un appareil autonome ayant une autonomie électrique relativement modérée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description 35 suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins : - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de mesure de concentration de gaz selon l'invention, - les figures 2A et 2B représentent des diagrammes spectraux relatifs au dispositif de la figure 1, - la figure 3 montre un schéma électrique de principe du dispositif de la figure 1, et - la figure 4 montre des chronogrammes relatifs au 10 dispositif de la figure 1. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente un dispositif 10 de mesure de concentration d'un gaz prédéterminé, en l'occurrence 15 dans l'exemple illustré du dioxyde de carbone (CO2), présent dans l'air ambiant. Toutefois, le principe présenté permet d'utiliser un tel dispositif pour mesurer la concentration de n'importe quel gaz prédéterminé ayant des propriétés 20 d'absorption de rayons lumineux, en particulier des rayons lumineux dans le domaine infrarouge, ledit gaz prédéterminé étant inclus dans un ensemble gazeux donné 11. Le dispositif comprend tout d'abord une cavité 6 qui renferme l'ensemble gazeux 11 qui contient le gaz 25 prédéterminé dans une concentration à mesurer ; dans l'exemple illustré, l'ensemble gazeux est l'air ambiant qui entre dans la cavité par une entrée 8 notée 'IN' été sort par une sortie 9 notée 'OUT' ; toutefois il pourrait n'y avoir qu'un seul orifice servant d'entrée et de sortie à la 30 fois. Dans l'exemple illustré, la cavité prend la forme d'un tube droit, toutefois la forme pourrait être très différente, la génératrice du tube pourrait être courbe ; la cavité pourrait aussi se présenter sous la forme d'un tore ou de tout autre disposition géométrique. L'enveloppe 35 de la cavité peut être en aluminium ou en matière plastique revêtue sur sa surface interne d'un dépôt métallique. De plus, le dispositif 10 comprend une source de lumière 1, plus généralement une source de rayonnements électromagnétiques incluant des rayons lumineux visibles et des rayons lumineux infrarouges, qui sont émis dans la cavité. Dans la présente description, le terme 'source de lumière' ou 'rayonnements lumineux' n'est donc pas limité au domaine du visible. La source de lumière 1 peut être une lampe à filament classique. En alternative, on peut aussi choisir 10 une diode électroluminescente (Led). La source de lumière émet des rayons lumineux 5 dans une gamme spectrale de base incluant du visible (0,4 à 0,8 um) et de l'infrarouge (0,8 um à 500 um). Les rayons lumineux 5 se réfléchissent sur la 15 surface interne 16 de la cavité et sont captées par différentes entités qui seront détaillées plus loin. De plus, la lampe 1 est de préférence commandée par une commande intermittente telle que présentée à la Figure 4 qui sera commentée plus loin. 20 De plus, le dispositif 10 comprend un détecteur 2, qui reçoit une partie des rayons lumineux 5 dans une première gamme spectrale prédéfinie correspondant à une forte absorption du gaz prédéterminé. Ce détecteur fournit un signal électrique proportionnel à la puissance lumineuse 25 reçue par le détecteur, qui fait partie de ce qu'on peut aussi appeler un premier canal de mesure du capteur de CO2. Le détecteur peut être un détecteur de type thermopile (comme par exemple le détecteur S6OM TO5 de 'Dexter') ou de type pyroélectrique (tel que le LIE-201 de 30 'Infratec' par exemple). En alternative, on peut aussi utiliser un détecteur de type photodiode travaillant dans le domaine infrarouge. Avantageusement, on peut placer un filtre 4 en amont du détecteur, donc le filtre est interposé entre la 35 source lumineuse 1 et le détecteur 2. Dans ce cas, la puissance lumineuse reçue est restreinte à la portion spectrale qui traverse le filtre, illustrée par la caractéristique spectrale référencée 21 sur la figure 2A En référence à la figure 2A, la source lumineuse 1 émet des rayonnements électromagnétiques dans un domaine spectral incluant le domaine infrarouge et le domaine V des rayonnements visibles ; plus précisément, cette émission est caractérisée par une courbe de densité de puissance spectrale 12 qui indique la répartition en termes de longueur d'onde de l'ensemble des rayonnements émis par la source lumineuse 1. Dans le cas d'une lampe à filament, cette densité spectrale est plutôt de type large bande comme illustré, alors que pour une LED, cette courbe de densité spectrale sera moins large tout en englobant le domaine visible V et au moins une portion du domaine infrarouge proche. Les caractéristiques d'émission de la lampe évoluent avec le temps ; on peut constater une augmentation de la puissance émise ou une diminution de la puissance émise ou encore les deux phénomènes l'un à la suite de l'autre. Le vieillissement de la lampe 1 entraîne un changement de la puissance émise, ce qui est illustré par la courbe 12a, la puissance d'émission pouvant être réduite comme illustré (mais cela peut être aussi une augmentation). Ce n'est pas le seul facteur qui modifie la puissance reçue par le détecteur 2. En effet, le dépôt de condensation, de poussière ou d'impuretés sur la surface intérieure de la cavité conduit à altérer le taux de réflexion des rayons lumineux 5 et par conséquent à diminuer la puissance transmise vers le détecteur 2, ce qui est illustré par la courbe référencée 12b. Il est donc nécessaire de prendre en compte ces altérations, qu'on peut aussi appeler 'dérives' (lentes ou rapides), afin que le calcul de concentration de CO2 ne soit pas entaché d'erreurs liée à ces dérives. Il faut en outre tenir compte des dispersions de caractéristiques initiales des sources lumineuses : par exemple une autre lampe présentera une courbe de puissance spectrale 12' différente. À cet effet, le dispositif 10 comprend une photodiode 3 configurée pour recevoir une partie des rayons lumineux dans une deuxième gamme spectrale prédéfinie correspondant à une faible absorption du gaz prédéterminé (ici le CO2), ce qui constitue un second canal de mesure. Plus précisément, la photodiode 3 est principalement sensible aux longueurs d'onde dans le 10 domaine visible (0,4 à 0,8 um); ceci peut également être illustré par la caractéristique spectrale référencée 22, de type passe-bande centré sur X2. Le CO2 n'absorbe pratiquement pas les rayonnements lumineux visibles et par conséquent la quantité de lumière reçue par la photodiode 3 15 ne dépend pas de la concentration de CO2 dans la cavité. La quantité de lumière ou puissance lumineuse reçue par la photodiode 3 dépend en revanche de la puissance émise par la lampe 1 et des coefficients de réflexion sur les parois internes 16 de la cavité. 20 Il est à noter que ce type de photodiode sensible aux rayonnements visibles est très peu coûteux car il utilise essentiellement un coeur en silicium. La caractéristique d'atténuation des rayons par le CO2 selon la longueur d'onde est illustrée par la courbe en 25 pointillés référencée 14 sur la figure 2A. Avantageusement, le filtre 4 est de type passe-bande centré sur Xl, ce qui coïncide avec la zone d'atténuation maximum de la courbe 14. Pour le CO2, la longueur d'onde Al est choisie tel que 2\1=4,26 um (micromètres). 30 En référence à la figure 2B, la puissance reçue par la photodiode 3 (second canal) est représentée par la quantité de référence Ur lorsque le dispositif de mesure est dans un état neuf, la grandeur Ur étant connue par le test de fin de fabrication du capteur de CO2 ; en fonction 35 du temps et des altérations qui peuvent intervenir, la quantité de référence Ur devient Urb, ce qui prend en compte non seulement la diminution de puissance de la lampe mais aussi toutes les dérives qui peuvent intervenir concernant la lampe et la cavité. Avantageusement selon l'invention, les quantités de 5 lumière mesurée sur le premier et le deuxième canal sont en fait établies par différence entre un état actif pour lequel la lampe est allumée et un état repos pour laquelle la lampe est éteinte. Plus précisément, pour toutes les valeurs U ou Ux exprimées dans le paragraphe précédent ou 10 les paragraphes suivants, il faut comprendre U = UON - UoFF. Ceci permet d'éliminer une éventuelle composante continue, due à l'éclairage ambiant ou des parasites lumineux. S'agissant du premier canal de mesure relatif au détecteur 2, la quantité lumineuse reçue par le détecteur 2 15 qui correspondrait à une concentration en CO2 égal à zéro est référencé Uo ; la quantité lumineuse reçue pour une concentration en CO2 à mesurer est référencée Ul, plus faible que Uo du fait de l'atténuation. Avec les effets du vieillissement, représentée par 20 la courbe 12b, la quantité lumineuse reçue par le détecteur 2 qui correspondrait à une concentration en CO2 égal à zéro est référencé Uob ; la quantité lumineuse reçue pour la concentration en CO2 à mesurer est référencée Ulb, plus faible que Uob du fait de l'atténuation. 25 Ulb/Uob = U1/Uo est le facteur d'atténuation K1 sur le canal À1, dû à l'effet atténuateur du CO2. Par ailleurs, Uob/Uo et Urb/Ur sont des facteurs de dérive lié au vieillissement et autres phénomène susmentionnés, ils sont notés respectivement K2 et K2'. Ils 30 sont liés entre eux par une fonction F prédéfinie, par (Eq. 1) la fonction G rassemblant les facteurs de correction, en particulier liés à K2 et K2'. 35 Dans une version simplifiée, on pourrait approximer exemple K2'=F(K2). Ulb . G (Urbilir Ki Uob Uo la fonction F par la fonction identité et ainsi obtenir une expression simplifiée de l'équation précédente : Ulb Ulb.Ur K1 Uob Uob.Urb (Eq. la) On ajoute également le cas échéant des corrections 5 relatives à la température et à la pression ambiante (voir plus loin). Sachant que Uo et Ur sont connus de la calibration initiale du capteur, et que Urb et Ulb correspondent aux mesures de puissance lumineuse mesurées (en différentiel 10 ON/OFF pour éliminer la composante continue, éclairage ambiant) sur le détecteur 2 et la photodiode 3, on utilise l'équation Eq. 1 pour déterminer le facteur d'atténuation lié à la présence de CO2 ; on se reporte ensuite à une courbe de type abaque qui relie le facteur d'atténuation à 15 la concentration en CO2. Cette abaque peut prendre en compte en outre la pression et la température ambiante. Pour pouvoir notamment mettre en oeuvre les opérations susmentionnées, le dispositif 10 comprend une unité de commande 7 alimentée par une alimentation 20 électrique 18, notamment sous forme d'une batterie ou pile classique ou rechargeable. En référence à la figure 3, le détecteur 2 est relié à l'unité de commande par une liaison électrique 72, et la photodiode 3 est reliée à l'unité de commande par une 25 liaison électrique 73. De plus un capteur de pression 19 et un capteur de température peuvent être prévus pour que l'unité de commande 7 puisse acquérir l'information de la pression atmosphérique ambiante et la température ambiante. En 30 outre, le capteur de température (non représenté) peut être embarqué sur la carte de l'unité de commande 7. En référence à la figure 4, l'unité de commande 7 pilote la source lumineuse 1 selon une séquence prédéterminée. 35 Plus précisément, dans l'exemple illustré, la lampe est commandée à l'état ON 91 pendant un temps T1 de 200 ms, puis est commandée à l'état OFF 92 pendant le temps T2 de 600 ms, séquence qui est répétée dans l'exemple illustré quatre fois, le nombre de répétitions pouvant être quelconque. Les mesures 93,94 correspondantes de puissance lumineuse reçue sont effectuées à chaque répétition d'une part pendant la période T1 à l'état ON (UoN comme déjà mentionné plus haut, ref. 93) et d'autre part pendant la période T2 à l'état OFF (notation UOFF déjà mentionnée plus haut, ref. 94). Comme déjà indiqué plus haut, c'est la différence de puissance entre l'état ON et l'état OFF qui est pris en compte comme quantité de lumière reçue à la fois par le détecteur 2 et par la photodiode 3. La séquence de mesure est répétée après un laps de temps d'inactivité de durée T3 prédéterminée, cette durée pouvant être choisie dans une plage de valeurs entre 10 minutes et 30 minutes ; la consommation moyenne du capteur de CO2 est par conséquent très faible. Il faut noter que la consommation électrique de la photodiode est de l'ordre de 10 uA (microampères); de fait elle est très inférieure à la consommation électrique du détecteur de type thermopile qui lui consomme un peu moins de 1 mA. Ainsi, la consommation électrique cumulée du détecteur et de la photodiode est inférieure à 1 mA lorsqu'ils sont activés pour une mesure. En outre, avantageusement, il peut être prévu une transmission des données recueillies vers un système utilisateur, par une liaison sans fil 19. Après l'assemblage initial du capteur, on procède à une étape de calibration au cours de laquelle on détermine la caractéristique de la courbe de puissance spectrale de la lampe. On peut par exemple mesurer la grandeur Ur. On peut aussi mesurer la grandeur Ul pour une concentration en CO2 connue, et retrouver ainsi la grandeur Uo utilisés dans l'équation 'Eq.l' ci-dessus. Avantageusement, un tel capteur de concentration de CO2, peu encombrant et peu coûteux, peut être intégré dans un certain d'objets d'utilisation courante, comme par exemple un pèse-personne électronique, un moniteur d'activité personnelle, etc... REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure de la concentration d'un 5 gaz prédéterminé, en particulier du CO2, comprenant : - une cavité (6) renfermant un ensemble gazeux contenant du gaz prédéterminé dans une concentration à mesurer, - une source de lumière (1), apte à émettre dans 10 la cavité des rayons lumineux (5) dans une gamme spectrale de base incluant du visible et de l'infrarouge, - un détecteur (2), configure pour recevoir une partie des rayons lumineux dans une première gamme spectrale prédéfinie correspondant à une forte absorption 15 du gaz prédéterminé, - une photodiode (3) configurée pour recevoir une partie des rayons lumineux dans une deuxième gamme spectrale prédéfinie correspondant à une faible absorption du gaz prédéterminé, 20 - une unité de commande (7) configurée pour calculer la concentration du gaz prédéterminé en comparant des signaux électriques représentatifs respectivement de la puissance lumineuse reçue par le détecteur (2) et de la puissance lumineuse reçue par la photodiode (3). 25 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le gaz prédéterminé est le dioxyde de carbone CO2 et l'ensemble gazeux est l'air ambiant. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant un filtre 4 interposé entre la source (1) et le détecteur 30 (2), ledit filtre étant centré sur la longueur d'onde Al = 4,26 um. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la cavité a une forme générale tubulaire, ayant de préférence un diamètre inférieure à 10 mm et une 35 longueur de préférence inférieure 10 cm, les rayons étant dirigés substantiellement selon une direction axiale (X) dela forme tubulaire. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la photodiode est agencée dans une position radiale par rapport à la direction axiale (X) de la forme tubulaire. 6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la cavité est un tube en aluminium ou un tube en plastique revêtu sur sa surface interne d'un dépôt métallique. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la photodiode 3 travaille dans le domaine visible, soit À2 compris entre 0,4 et 0,8 um. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel la source de lumière (1) est une lampe à filament ou une diode électroluminescente Led, de préférence commandée par une commande intermittente. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le détecteur (2) est de type thermopile ou de type pyroélectrique ou encore de type photodiode travaillant dans le domaine infrarouge. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant un seul détecteur dudit type. 11.Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la consommation électrique cumulée du détecteur et de la photodiode est inférieure à 1 mA lorsqu'ils sont activés pour une mesure.