Brevet FR3134180A1 — publié le 20231006

L’invention porte sur un dispositif d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs, destiné à être utilisé conjointement avec un détecteur (1) de vapeurs par aspiration équipé d’un tube (2) d’aspiration, pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux. Il comprend : un embout (3) avec un canal traversant et un réseau fluidique, qui comprend une entrée (12) et au moins une sortie en communication fluidique avec ladite entrée (12) ; et des moyens pour injecter le fluide gazeux dans le réseau fluidique. Le réseau fluidique est configuré pour, lors de l’injection du fluide gazeux par l’entrée (12), former au moins un jet (4) de fluide gazeux qui est éjecté de l’embout de part et d’autre de la direction d’aspiration, chaque jet formant un angle θ, en valeur absolue, avec la direction d’aspiration, qui est compris entre 10 et 90°, bornes incluses. Figure pour l’abrégé : figure 1 . Dispositif d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux L’invention concerne la conception et la réalisation d’un dispositif permettant l’optimisation du prélèvement de vapeurs pour la détection et l’identification de composés volatils dans l’air. La détection de composés volatils (ou vapeurs) dans un milieu gazeux (généralement de l’air) est un enjeu majeur dans de nombreux domaines et dans certains domaines particuliers, comme par exemple dans les domaines de la détection d’explosifs et de la lutte contre le terrorisme, il est en outre primordial d’être capable de détecter les vapeurs de certains composés en temps réel et avec une bonne sensibilité. Les détecteurs de vapeurs portables, en particulier, sont les plus adaptés à des mesures sur le terrain, dans des environnements difficiles, ou dans des situations d’urgence. Un exemple d’un détecteur de vapeurs portable pour la détection de composés explosifs est décrit dans le document [1] . On peut notamment citer, comme exemple d’un tel détecteur, le détecteur de la marque T-REX TM de la société NBC-Sys. Ce type de détecteur fonctionne en aspirant le milieu gazeux, qui est au contact de la cible à analyser, à l’aide d’un système de prélèvement, puis en faisant passer les vapeurs collectées dans une chambre de détection munie de plusieurs micro-capteurs. En effet, les détecteurs de vapeurs portables utilisent, tout comme le détecteur T-REX TM , des micro-capteurs recouverts de matériaux spécifiques qui sont sensibles à certains composés cibles. Ces matériaux réagissent avec les vapeurs de composés, comme les explosifs, ce qui modifie certaines de leurs caractéristiques chimiques (masse, fluorescence, conductivité, etc.). Le système de prélèvement est généralement un simple tube et une pompe d’aspiration. Ce système de prélèvement est efficace pour des mesures au contact ou à très faible distance de la source, mais n’est pas optimisé pour l’aspiration à grande distance. Ainsi, dans les détecteurs portables de l’art antérieur, le système de prélèvement des vapeurs au moyen d’un simple tube et d’une pompe d’aspiration nécessite de réaliser le prélèvement de vapeurs au contact de la cible, ce qui impose à l’opérateur de prendre plus de risques en l’obligeant à se rapprocher de la cible. Cela réduit également les capacités de détection de ce type de détecteur pour la recherche d’une cible présente dans un grand volume d’un milieu gazeux, car cela oblige à réaliser un balayage de tout le volume du milieu gazeux pour se rapprocher suffisamment de la cible et ainsi détecter sa présence. En effectuant des mesures de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV pour « Particle Image Velocimetry » en anglais), les Inventeurs ont constaté que, avec le détecteur T-REX TM (qui, on le rappelle, utilise comme système de prélèvement un tube et une pompe d’aspiration), la vitesse d’aspiration devient négligeable au-delà de 4 cm de l’orifice d’entrée du tube. Par ailleurs, il est démontré que l’aspiration au travers d’un tube n’est pas très directionnelle. Ainsi, sur les mesures de PIV, on constate que le milieu gazeux aspiré par le tube provient de toutes les directions, y compris de positions situées en deçà de l’orifice d’entrée du tube. Pour un débit d’aspiration donné, on observe une décroissance hyperbolique de la vitesse du milieu gazeux aspiré en fonction de la distance à l’orifice d’entrée du tube. Cela conduit, pour tous les systèmes de prélèvement prélevant le milieu gazeux à l’aide d’un simple tube, à une portée d’aspiration de quelques centimètres au mieux, et au prélèvement du milieu gazeux tout autour de l’orifice d’entrée du tube et pas seulement au contact de la cible. Ce prélèvement du milieu gazeux environnant dilue les vapeurs captées et affaiblit le signal mesuré par le détecteur. Les stratégies d’olfaction du monde animal sont régulièrement étudiées et sont source d’inspiration. Ainsi, les auteurs du document [ 2 ] ont tenté d’imiter le mode d’olfaction du chien qui possède des narines de formes asymétriques pour alternativement inspirer et expirer l’air proche du sol. Ce flux oscillant, couplé à la forme des narines du chien, crée un flux d’air intermittent qui soulève les particules et les guide vers le nez de l’animal, ce qui facilite leur détection. Ce principe de fonctionnement a servi d’inspiration à la conception d’un système de prélèvement de particules d’explosifs de type IMS (pour « Ion Mobility Spectrometry » en anglais) pour lesquels les intensités des signaux de détection sont sensiblement augmentées, mais restent faibles dès que le détecteur n’est pas au contact de la cible. La stratégie d’olfaction mise en œuvre par l’écrevisse a également fait l’objet de nombreuses études. L’écrevisse détecte les odeurs dans l’eau grâce à ses antennes. Afin d’améliorer la portée de détection, l’écrevisse agite des appendices spéciaux en forme de palme pour créer des jets vers l’arrière qui entraînent l’eau devant l’animal, en direction des antennes. Ce principe de fonctionnement a servi d’inspiration aux auteurs du document [ 3 ] pour la conception d’un prototype de robot projetant de l’eau latéralement, ce qui améliore les capacités de détection du robot. Cependant, ce prototype ne fonctionne que dans l’eau. Les systèmes de prélèvement détaillés ci-dessus n’apportent pas de réponses satisfaisantes au besoin d’améliorer la portée de détection de vapeurs dans un milieu gazeux (généralement l’air) des dispositifs de détection chimique par prélèvement (également appelés détecteurs par prélèvement). Au vu de ce qui précède, il existe un besoin d’optimiser les capacités de prélèvement de vapeurs de tous types de détecteurs de vapeurs portables et de type T-REX TM en particulier. Pour répondre à ce besoin, l’invention a pour objet un dispositif d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs, destiné à être utilisé conjointement avec un détecteur de vapeurs par aspiration équipé d’un tube d’aspiration, pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux, le dispositif comprenant : - un embout ayant un corps muni : - d’un canal traversant, s’étendant selon une direction d’aspiration et destiné à accueillir le tube d’aspiration ; et - d’un réseau fluidique, qui comprend une entrée et au moins une sortie en communication fluidique avec ladite entrée, l’entrée et ladite au moins une sortie définissant entre elles un chemin d’écoulement du fluide gazeux ; et - des moyens d’injection, configurés pour injecter le fluide gazeux dans le réseau fluidique ; dans lequel le réseau fluidique est configuré pour, lors de l’injection du fluide gazeux dans l’embout par l’entrée du réseau fluidique, former au moins un jet de fluide gazeux qui est éjecté de l’embout de part et d’autre de la direction d’aspiration, chaque jet formant un angle θ, en valeur absolue, avec la direction d’aspiration, qui est compris entre 10° et 90°, bornes incluses. De préférence, cet angle θ est compris entre 20° et 70°, bornes incluses. De préférence, la surface de la section droite de l’entrée est supérieure ou égale à la somme des surfaces des sections droites de chaque sortie, de manière à obtenir des jets ayant un flux de sortie supérieur au flux d’entrée, i.e. un flux accéléré. Selon une variante préférée, chaque jet forme un même angle θ, en valeur absolue, avec la direction d’aspiration. Dans cette variante, chaque sortie est donc disposée à égales distances de l’ouverture du canal traversant, de part et d’autre de la direction d’aspiration. S’il y a plusieurs sorties, elles peuvent être dispersées autour de la direction d’aspiration, et être, par exemple, équidistantes les unes des autres. Selon une variante, le réseau fluidique comprend au moins deux sorties, deux sorties étant positionnées à une même hauteur qu’une extrémité du canal traversant, le réseau fluidique étant configuré pour que les jets sortant de ces deux sorties appartiennent à un même plan, ledit plan comprenant également la direction d’aspiration. Selon une autre variante, le réseau fluidique comprend au moins deux sorties et comporte un canal principal qui se divise en au moins deux canaux secondaires, dont deux canaux secondaires sont symétriques par rapport à un plan qui comporte le canal traversant. À titre d’exemple, le réseau fluidique peut comporter uniquement un canal principal et deux canaux secondaires. Selon une variante, les canaux secondaires ont une section en coupe qui est constante. Selon une autre variante, les canaux secondaires ont une section en coupe qui se réduit à proximité des sorties. Les sorties peuvent avoir une forme elliptique, de préférence circulaire. Selon une autre variante, la sortie est définie par une surface évidée entre deux formes concentriques et centrées sur le canal traversant, les deux formes étant des ellipses, de préférence des cercles, ou des polygones. À titre d’exemple, si les formes concentriques sont des cercles, la sortie a la forme d’un anneau. Les formes concentriques peuvent également, par exemple, être des carrés ou des rectangles. Avantageusement, les moyens d’injection comportent une pompe, configurée pour aspirer le fluide gazeux, et un tuyau flexible, en communication fluidique avec la pompe, pour relier la pompe à l’entrée de l’embout. Ainsi, si le réseau fluidique ne comporte qu’une sortie, on comprend bien que pour qu’il y ait un jet de fluide gazeux qui puisse être éjecté de part et d’autre de la direction d’aspiration, il faudra que la sortie soit configurée pour le permettre. Cela est possible, par exemple, si elle a une forme d’anneau, ce qui permet la formation d’un cône de fluide gazeux éjecté autour de la direction d’aspiration (et on a donc bien un jet de part et d’autre de la direction d’aspiration). Bien sûr, le réseau fluidique peut comporter une pluralité de sorties (c’est-à-dire au moins deux) et dans ce cas, il y aura une pluralité de jets (au moins deux) qui seront formés. L’invention a également pour objet un ensemble optimisé (également appelé nez optimisé) pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux, comprenant un détecteur de vapeurs par aspiration, équipé d’un tube d’aspiration, et un dispositif d’optimisation de prélèvement de vapeurs tel que défini ci-dessus, dans lequel le détecteur comprend en outre une enceinte et une pompe, apte à aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte au travers du tube d’aspiration, et dans lequel, lorsque l’ensemble optimisé est en cours de fonctionnement, l’embout est positionné sur le tube d’aspiration, et du fluide gazeux est simultanément aspiré dans l’enceinte, par la pompe, au travers du tube d’aspiration et injecté dans l’entrée de l’embout par les moyens d’injection. De préférence, les moyens d’injection comprenant une pompe, la pompe utilisée pour aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte et la pompe utilisée pour injecter du fluide gazeux dans l’embout est une seule et même pompe. L’invention a également pour objet un procédé d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs pour détecter des composés volatils dans un fluide gazeux, utilisant un dispositif d’optimisation de prélèvement de vapeurs tel que décrit ci-dessus et un détecteur de vapeurs par aspiration comprenant un tube d’aspiration, une enceinte, et une pompe, apte à aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte par le tube d’aspiration, le procédé comprenant : - la mise en place préalable du tube d’aspiration dans le canal traversant de l’embout ; - la formation d’au moins un jet de part et d’autre de la direction d’aspiration par une aspiration du fluide gazeux dans l’enceinte à travers le tube d’aspiration et, simultanément, une injection du fluide gazeux dans l’entrée du réseau fluidique, ce qui provoque une éjection du fluide gazeux par ladite au moins une sortie sous la forme d’au moins un jet. Avantageusement, l’aspiration et l’injection sont réalisées à l’aide d’une même pompe. En formant des jets de fluide gazeux autour de la direction d’aspiration, on optimise la portée d’aspiration dans une direction privilégiée (qui est celle de la direction d’aspiration), ce qui permet d’améliorer la capacité de détection du détecteur de vapeurs. D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d’une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : est un schéma du concept de l’invention, montrant un embout équipant un tube de prélèvement d’un détecteur de vapeurs par aspiration ; les figures 2a à 2c sont respectivement des vues de côté, de dessus et de face d’un premier exemple de réalisation d’un embout selon l’invention ; les figures 3a à 3c sont respectivement des vues de côté, de dessus et de face d’un deuxième exemple de réalisation d’un embout selon l’invention ; les figures 4a à 4c sont respectivement des vues de côté, de dessus et de face d’un troisième exemple de réalisation d’un embout selon l’invention ; les figures 5a à 5c sont respectivement des vues de côté, de dessus et de face d’un quatrième exemple de réalisation d’un embout selon l’invention ; est une représentation schématique, selon une vue en perspective, d’une face de l’embout munie d’une sortie de forme annulaire, permettant la formation d’un cône de fluide gazeux autour de la direction d’aspiration ; les figures 7a et 7b sont respectivement un schéma du banc de mesure de PIV selon une vue de côté en perspective et selon une vue de dessus ; est un modèle 3D d’un embout selon l’invention, superposé à une image obtenue par mesure de PIV ; les figures 9a et 9b sont des schémas représentant respectivement un embout selon l’invention et l’image obtenue par mesure de PIV dans un plan de mesure qui correspond à une mesure horizontale ( ) et à une mesure verticale ( ) ; dans ces deux plans de mesure, les lignes colorées représentent les mouvements du fluide (flux d’air) autour de l’embout ; représente les mouvements du fluide lors de l’aspiration de l’air au travers d’un simple tube d’aspiration ; les figures 11a et 11b représentent les mouvements du fluide lors de l’aspiration de l’air au travers d’un tube d’aspiration équipé d’un embout selon l’invention, mais sans que les jets d’air soient activés ; les figures 12a et 12b représentent les mouvements du fluide lors de l’aspiration de l’air au travers d’un tube d’aspiration équipé d’un embout selon l’invention, avec les jets d’air activés ; les figures 13a et 13b représentent la courbe de la vitesse de l’air en fonction de la distance à l’orifice d’entrée du tube d’aspiration selon une mesure horizontale ( ) et une mesure verticale ( ) selon que le tube d’aspiration est simple (courbe 2), avec embout sans jets (courbe 1) et avec embout avec jets (courbe 3). Dispositif d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs, destiné à être utilisé conjointement avec un détecteur (1) de vapeurs par aspiration équipé d’un tube (2) d’aspiration, pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux (27), le dispositif comprenant : - un embout (3) ayant un corps (9) muni : - d’un canal traversant (10), s’étendant selon une direction d’aspiration et destiné à accueillir le tube d’aspiration (2) ; et - d’un réseau fluidique (11), qui comprend une entrée (12) et au moins une sortie (13) en communication fluidique avec ladite entrée (12), l’entrée et ladite au moins une sortie définissant entre elles un chemin d’écoulement (11) du fluide gazeux ; et - des moyens d’injection, configurés pour injecter le fluide gazeux (27) dans le réseau fluidique (11) ; dans lequel le réseau fluidique est configuré pour, lors de l’injection du fluide gazeux dans l’embout (3) par l’entrée (12) du réseau fluidique, former au moins un jet (4) de fluide gazeux qui est éjecté de l’embout de part et d’autre de la direction d’aspiration, chaque jet formant un angle θ , en valeur absolue, avec la direction d’aspiration, qui est compris entre 10 et 90°, bornes incluses. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chaque jet forme un même angle θ , en valeur absolue, avec la direction d’aspiration. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2,, dans lequel le réseau fluidique (11) comprend au moins deux sorties (13), deux sorties (13) étant positionnées à une même hauteur qu’une extrémité du canal traversant (10), le réseau fluidique (11) étant configuré pour que les jets (4) sortant de ces deux sorties (13) appartiennent à un même plan, ledit plan comprenant également la direction d’aspiration. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le réseau fluidique (11) comprend au moins deux sorties (13) et comporte un canal principal (14) qui se divise en au moins deux canaux secondaires (15), dont deux canaux secondaires sont symétriques par rapport à un plan qui comporte le canal traversant (10). Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les canaux secondaires ont une section en coupe qui est constante. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les canaux secondaires ont une section en coupe qui se réduit à proximité des sorties (13). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les sorties (13) ont une forme elliptique, de préférence circulaire. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la sortie (13) est définie par une surface évidée entre deux formes concentriques et centrées sur le canal traversant, les deux formes étant des ellipses, de préférence des cercles, ou des polygônes. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les moyens d’injection comportent une pompe (8), configurée pour aspirer le fluide gazeux, et un tuyau flexible (7), en communication fluidique avec la pompe, pour relier la pompe à l’entrée (12) de l’embout. Ensemble optimisé pour une détection de composés volatils dans un fluide gazeux, comprenant un détecteur (1) de vapeurs par aspiration, équipé d’un tube (2) d’aspiration, et un dispositif d’optimisation de prélèvement de vapeurs selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le détecteur comprend en outre une enceinte et une pompe (8), apte à aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte au travers du tube d’aspiration, et dans lequel, lorsque l’ensemble optimisé est en cours de fonctionnement, l’embout est positionné sur le tube d’aspiration, et du fluide gazeux est simultanément aspiré dans l’enceinte, par la pompe, au travers du tube d’aspiration et injecté dans l’entrée (12) de l’embout par les moyens d’injection. Ensemble optimisé selon la revendication 10, dans lequel les moyens d’injection comprenant une pompe, la pompe utilisée pour aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte et la pompe utilisée pour injecter du fluide gazeux dans l’embout est une seule et même pompe (8). Procédé d’optimisation d’un prélèvement de vapeurs pour détecter des composés volatils dans un fluide gazeux, utilisant un dispositif d’optimisation de prélèvement de vapeurs selon l’une quelconque des revendications 1 à 9 et un détecteur (1) de vapeurs par aspiration comprenant un tube d’aspiration (2), une enceinte, et une pompe (8), apte à aspirer le fluide gazeux dans l’enceinte par le tube d’aspiration, le procédé comprenant : - la mise en place préalable du tube (2) d’aspiration dans le canal traversant (10) de l’embout (3) ; - la formation d’au moins un jet de part et d’autre de la direction d’aspiration par une aspiration du fluide gazeux dans l’enceinte à travers le tube d’aspiration et, simultanément, une injection du fluide gazeux dans l’entrée (12) du réseau fluidique (11), ce qui provoque une éjection du fluide gazeux par ladite au moins une sortie sous la forme d’au moins un jet (4). Procédé selon la revendication 12, dans lequel l’aspiration et l’injection sont réalisées à l’aide d’une seule et même pompe (8).