Brevet FR3042867A1 — publié le 20170428

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention vise un dispositif d'analyse de gaz à très forte sensibilité basé sur un résonateur de Helmholtz. Elle s'applique, en particulier, à la détection de traces de gaz dans l'air ambiant, par exemple pour la lutte contre la pollution, la détection de fuites de gaz ou la prévention de risques chimiques. ETAT DE LA TECHNIQUE L'analyse de gaz à l'état de traces est aujourd'hui de plus en plus courante dans les secteurs industriels et de l'environnement. Parmi les technologies capables de détecter des espèces à des concentrations dans la gamme du ppb (partie par milliard, soit 10-9), les technologies optiques consistant en l'excitation de la molécule à détecter par voie optique en utilisant un laser sont les plus prometteuses et présentent les avantages suivant : sélectivité de la mesure, sensibilité, précision de la mesure et gamme de mesure couvrant l'ensemble des gaz, moyennant l'utilisation d'une longueur d'onde adaptée pour l'excitation optique de l'espèce recherchée par le laser. Il existe de nombreuses technologies optiques. Les plus couramment utilisées sont la technologie CRDS (acronyme de Cavity Ring-Down Spectroscopy pour spectroscopie par temps de décroissance en cavité), la technologie OFCEAS (acronyme de Optical Feedback Cavity Enhanced Absorption Spectroscopy pour spectroscopie d'absorption améliorée en cavité par retour optique) et la technologie photo-acoustique. La technologie photo-acoustique est particulièrement intéressante de par sa simplicité, sa robustesse et les niveaux de détection limites pouvant être atteints tout en maintenant un niveau de sélectivité important. Les besoins industriels à ce jour commencent à se situer non plus au niveau du ppb mais tendent vers le ppt (partie par trillion, soit 10-12). Pour atteindre ces niveaux extrêmement faibles de détection et de mesure, il est alors nécessaire pour les techniques telles que la CRDS ou l'OFCEAS d'augmenter significativement les durées (équivalentes à des distances) de parcours 3042867 2 du faisceau optique d'excitation et/ou augmenter la durée d'intégration. L'augmentation de la durée de parcours impose des instruments de plus en plus complexes et difficiles à régler d'un point de vue optique, instruments qui restent très sensibles aux variations de température et de pression et aux vibrations. 5 L'augmentation de la durée d'intégration, à durée de parcours fixe, permet d'abaisser le niveau de détection limite mais ne constitue pas une amélioration forte et constitue plutôt une solution de deuxième ordre. De plus, l'augmentation de la durée d'intégration ne permet plus d'avoir des mesures rapides nécessaires pour la mesure notamment des flux à partir de technique de modélisation d'Eddy covariance. 10 La technologie photo-acoustique permet d'atteindre les mêmes niveaux de détection limites que les autres techniques avec des avantages de simplicité de réglage et de stabilité dans le temps couplée à une mesure rapide. Cependant, elle n'offre pas, non plus, les niveaux de détection maintenant demandés dans les applications industrielles. 15 Un dispositif de détection de gaz à cellule de Helmholtz est décrit dans le brevet FR 2 815 122. Ce dispositif est constitué d'un laser dont le faisceau, modulé à la fréquence de résonance de la cellule, traverse une cellule de mesure. La cellule est constituée par deux gros volumes reliés par deux capillaires. La cellule est fermée par quatre fenêtres semi-transparentes pour laisser passer le faisceau laser. 20 Par effet photo-acoustique, la résonance de Helmholtz permet de réaliser une mesure différentielle dans laquelle les signaux des deux transducteurs acoustoélectrique, par exemple, des microphones, sont en opposition de phase. La mesure de la différence des tensions des signaux sortant des transducteurs est alors proportionnelle à la concentration du gaz dans la cellule. 25 Les variations de pression sont localisées dans les gros volumes. Le premier transducteur permet la mesure des variations de pression dans le premier gros volume. Le deuxième transducteur mesure la pression dans le deuxième volume, en opposition de phase avec le premier volume. Une mesure différentielle permet de doubler le signal photo-acoustique dû à la présence du gaz dans la cellule tout en 30 réalisant simultanément une soustraction des bruits parasites environnants. L'une des conditions qui amène la création de l'onde de pression stationnaire est imposée par le recouvrement maximisé entre la modulation de l'intensité lumineuse émise par le laser et la répartition du mode de résonance considéré. 3042867 3 On donne, ci-après, des problèmes rencontrés par les techniques existantes. La fréquence de fonctionnement de l'ensemble des éléments constituants le système photo-acoustique est imposée par la fréquence de résonance acoustique de la cellule de mesure. La fréquence d'un résonateur de Helmholtz aux dimensions 5 macroscopiques et fonctionnant sur le premier mode se trouve dans les basses fréquences ( REVENDICATIONS1. Dispositif de détection photo-acoustique d'au moins un gaz, caractérisé en ce qu'il comporte : - une cuve (100) résonnante de type Helmholtz constituée de deux tubes primaires (105, 106) fermés à leurs extrémités et reliés entre eux, à proximité de chacune de leurs extrémités, par deux tubes secondaires (109, 110), - un moyen d'introduction de gaz (118, 119) dans ladite cuve, - au moins une première source (112) d'énergie radiante laser modulée à une première fréquence de résonance de la cuve, qui fournit une énergie d'excitation dans au moins un des tubes primaires, à une longueur d'onde d'émission correspondant à une longueur d'onde d'absorption maximum localement pour un premier gaz, chaque dite première source d'énergie radiante étant positionnée en regard d'une fenêtre fermant une extrémité de tube primaire, pour générer une première onde stationnaire se propageant le long des tubes secondaires, - au moins une deuxième source (117) d'énergie radiante laser modulée à une deuxième fréquence de résonance de la cuve, qui fournit une énergie d'excitation dans au moins un des tubes secondaires, à une longueur d'onde d'émission correspondant à une longueur d'onde d'absorption maximum localement pour un deuxième gaz, chaque dite première source d'énergie radiante étant positionnée en regard d'une fenêtre fermant une extrémité de tube primaire, pour générer une deuxième onde stationnaire se propageant le long des tubes primaires, - au moins un transducteur acousto-électrique (103, 104, 123, 124) disposé sur une paroi de chaque tube pour détecter les signaux acoustiques produits dans ce tube, - un moyen de traitement (120) des signaux issus des transducteurs disposés sur les tubes primaires, pour extraire une amplitude de la première onde stationnaire et - un moyen de traitement (122) des signaux issus des transducteurs disposés sur les tubes secondaire, pour extraire une amplitude de la deuxième onde stationnaire. 3042867 13 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les sources (112, 117) d'énergie radiante laser ont des longueurs d'onde d'émission correspondant à des pics d'absorption du même gaz. 5 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les sources (112, 117) d'énergie radiante laser ont la même longueur d'onde d'émission. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, qui comporte deux sources d'énergie radiante laser en regard de deux tubes parallèles de la cuve de type 10 HelmHoltz, les dites deux sources d'énergie radiantes laser ayant des longueurs d'onde d'émission correspondant à des pics d'absorption du même gaz, éventuellement identiques, dans lequel le moyen de modulation est adapté à moduler simultanément l'énergie d'excitation fournie par les deux sources d'énergie radiante laser se trouvant en regard de deux tubes différents en appliquant un 15 déphasage de 180° entre les énergies d'excitation cbs dites sources d'énergie radiante laser. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, dans la cuve résonante (100) de type Helmholtz, les extrémités des tubes primaires touchent les 20 extrémités des tubes secondaires. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les extrémités des tubes présente des parois inclinées (102) par rapport aux axes principaux des tubes pour réfléchir les ondes acoustiques depuis les tubes primaires vers le tubes 25 secondaires et réciproquement. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la cuve de type Helmholtz comporte au moins une entrée (118) ou une sortie (119) de gaz sur une paroi extrême (102) d'un tube. 30 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel au moins un moyen (120, 122) de traitement de signaux issus des transducteurs disposés sur des tubes parallèles comporte un amplificateur opérationnel, les signaux de sortie des 3042867 14 transducteurs étant appliqués aux entrées positives et négatives de l'amplificateur opérationnel.