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ftOOIJ8 :DI 8P8ODOPJtOfCIII1'&D m IIUOIItU Ii aaraxrx 1PPLIC1TIOÏ .
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La prtfaaata .iaraatiaa pour aajat m y*a *da* U ,p"uophot08'tl'1...... dispositif tai.." ..,,11.."i.... - :<: > . oi 1'1'00"' .t ntiüssbl. aetareat 11&1. mem ...liT8888".. t:.,.', pour ir rerar. An ootffieiuii dt "1'8U8i..i.. ""itou Vm 'obattl1.. tl....... t1 81 11.................tt n,r* r" Il ieotgt M oeatinn a. la prpporit...... x#olr*i,.iJrt i d'ua ooaaiituaai prtfsa&iaai usa rai d'rbrscp*!. #.#> ' peur tua loasnenr d'ew d<ttMti*<<t Daaa da aeeibreax paor.pho*aailar.r, ta A4% xml*9 le ee<fficiM'<t <t< tffaaisiaaism dM tarpa JI- WM 1;"'" .
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utilisable pour le$ fluide #, QUi rivent être conte=$ dans une cuve dont les fenêtres ajoutent leur absorption propre celle du corpe quoell#4 contiennent.
Pour mesurer la coefficient de transmission des fluide*, on utilise généralement un rpe0trophattre à deux faisceaux deux :taiooeau #onoonroaatiquis de et longueur d'onde traversent l'un une cuve de référence, l'autre une cuve de aecure *coupée par le mélange à doser# les deux faisoeaux étant soit indépendante, soit constituai par le mime pinceau dévié alternativement vers l'une et
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l'autre cuve (apootromètre du type dit iliaicer beau*),@ le rapport des Intensités résiduelles des deux faisceaux permet de déterminer le coefficient de transmission. , .
La première solution présente un inconvénient
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rajour 4 les éléments optiques des deux voies utilisées # i= (eouroe, élément photosensible) doivent être absolument Identiques ou du moins présenter des caractéristiques Immuables pour permettre un étalonnage ! en fait, le
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vieillissement de$ éléments ohange leurs oaraoterietiquea, d'où une dérive nuisible à la fidélité de l'appareil.
Quant. à la seconde solution, qui exige évidement un découpage du faisceau en signaux qui viennent attaquer soit un mime
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éléiaent phototenaibleg soit deux éléments dietinote, elle # présente l'inconvénient d'être peu sensible t en effet, ¯ : ! r. elle fournit des signaux sensiblement carrée, décalé , dani le tompat qu'il est difficile d'amplifier et de détecter , linoairetoent pour les comparer.
Enfin et surtout ces deux solutions font inutt- lieablee pour le dosage en continu des mélanges ooen*otiîto#, tels que les échantillons chargée en acide fluorhydrique.
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En effets dans ce cas, le coefficient de transmission 404.1", fenêtres de la cuve de référence ne change pas, alors que celui des fenêtres de la cuve de mesure évolue du fait de
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la corrosion par le gai* - # - - > L'invention a pour but la conception d'unt Méthode de epeotrophotONetrie palliant les défauts des systèmes antérieure, notamment le Manque de sensibilité , /.
du système "i7.olcer beau", et se prêtant parfaitement à la apectrophotométrie à un seul faisceau, seul procède applicable aux cas des fluides corrooiteo la preeenoe de vapeur d'eau n'ayant d'autre part aucune influence sur les résultats de mesure.
L'application du procède suivant l'invention à la détermination de la concentration d'un échantillon en un gaz donné, présentant une raie d'absorption de longueur
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d'onde K se base sur l'existence d'une loi reliant l'absorption lumineuse à la concentration t si par exemple le gaz suit la loi de Lambert-Beer, le rapport du flux énergétique I (en lumière monoohromatique de longueur
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d'onde i1 sortant de l'échantillon au flux entrant 10 est relié à l'épaisseur traversée par la loi
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où et est un coefficient d'absorption proportionnel à la concentration o. ;
Io peut être déterminée par une mesure à une longueur d'onde légèrement différente ou % pour laquelle l'absorption ne varie pratiquement pas en fonction de la concentration et il tuée en dehors des raies d'absorption de l'eau et du gaz car- , bonique atmosphérique* Ceci est possible en raison de la grande résolution de l'appareil suivant l'invention. De
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même,
le facteur de transmission optique des fenêtres de la cuve peut être considéré comme sensiblement constant dans la bande de longueurs d'onde allant de @@@ à @-@@ oe qui est le cas lorsque ¯@ est faible.
Dans ces conditions, et et l'absorption est nulle pour ces deux longueurs d'onde, oe qui est pratiquement le cas en général, la loi (1) reste valable en considérant \, que I et Io sont les flux sortant d'une ouve contenant l'échantillon, ou même des courante ou tensions propor- tionnéea à ces flux.
. L'invention vise à la conception d'une méthode de spectrophotométrie en simple faisceau applicable à la détermination des concentration* en un gax(ou plus générale* ment un fluide)absorbant et utilisable môme dans le cas où le fluide est corrosif et altère les propriété$ optique,' de la cuve :
dans oe but, l'invention propose un procédé comprenant la production d'un faisceau de lumière, l'affai- , bliaeement du faisceau par passage à travers un échantillon, la modulation en amplitude du faisceau à une fréquence pré- déterminée, la sélection alternative dans le faisceau d'au moine deux longueurs d'onde proches l'une de l'autre et dont une seule correspond à une raie d'absorption de l'échan- tillon, la création d'un signal électrique par un élément photosensible soumis alternativement à l'action des deux longueurs d'onde du faisceau affaibli, l'amplification sélective de la composante à la fréquence prédéterminée dudit signal, la détection du signal amplifié et la comparaison des intensités correspondant aux deux longueurs d'onde dans le signal détecté.
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ta wiee en oeuvre du procède défini *t-494888 t. peut être effectuée dans un #ptotropaotomètre comprenant " . un dispositif optique de production d'un faisceau lumineux,
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une cuve à :face@ transparentes de réception d'un 6h<m<!t1Ha< disposé sur le trajet du faisceau# un dispositif nonoohro- mateur de sélection d'uns Première longueur d'onde corrti- pondant à une raie d'absorption de l'éohantillon et d'au ' oint une deuxième longueur d'onde ne correspondant pas ,j à une raie d'absorption, un dispositif de ouxtalatton de , #;
,# l'intensité lumineuse du faisceau à une fréquence prédé- terminée, un système amplificateur à deux votes accordé sur
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ladite fréquence prédéterminée, un dispositif de oo<Baande du monochromateur à une cadence quelconque provoquant la
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sélection alternative d'un signal k la première longueur d'onde et d'un signal à la deuxième longueur d'onde, un dispositif de synchronisation actionnant alternativement l'une des voies d'amplification en bloquant l'autre en synchronisme avec la production de signaux à la première
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et la deuxième longueur d'onde,
un système aliatente par les deux voies d 'amplification et effectuant le rapport des signaux reçue pour déterminer la dénote optique de l'échantillon pour la raie d'absorption.
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L'invention consiste également en d'autres dimpo* sittont avantageusement utilisables en liais= avec les. précédentes maie pouvant l'être indépendamment* L'invention sera mieux comprise à la leoture de la description qui suit d'un mode de mise en oeuvre de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif* La
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description ne réfère aux dessine qui l'aooowpagneat et dans lesquels
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- la no* 1 tut un #ohiM de prtuipo d'un apootroo photoaetre euivant loinventton 1 -' la Y18;
a cet une vue sob4mtique Outrant le systbae optique du dispositif suivant la ig. 1 et notas- Ment le monochromateur et la cuve d'absorption -la Fige 3 est une vue schématique *outrent le système d'exploration par came et de synchronisation - la Fige 4 montre une came utilisée dans le
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dispositif de la rig. 3 ; - la Fige 5 montre un disque de synchronisation ., utilisé dans le système de la Fige 3 ;
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- la Fige 6 est un schéma de principe des systè- ' mes amplificateurdétecteur et calculateur associée au
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système optique de la Fige 8 ;
, - lee 1'ig. 7a, 7b, 7o, 7d et 7e montrent 1 zij "# \¯- S , forme des signaux fournie par divers éléments du système ;.;-##/ de la Fige 3 ; et la Fige 8 est un schéma de principe d'une variante du système de la Fige 3.
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Sur le schéma de principe de la lig. 1 apparais ,;t' sent les éléments essentiels du epectrophotoaetre 'eae ' ble constitué par la source à et le système optique oonden- satour 4 fournit un faisceau parallèle de lumière qui traverse la cuve 6 contenant l'échantillon à étudier. Pour éviter les réflexions parasites, le faisceau qui attaque
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les face# terminales de la cuve doit être convergent ou pratiquement normal à celles-ci* Au sortit de la cuve 6, la faisceau est repris par un monochromateur 8 pouvant sélectionner plusieurs longueur$ d'ondes$ dont l'une
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oorreepond a une raie d'absorption de 1 'échantillon.
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L'intensité du faiaoeau tranaaia est mesurés par un détec- teur 10 qui attaque un amplificateur linéaire 1 d'aaan.w tion d'un appareil 14 de mesure ou d'enregistrement
La source 2 le système optique 4 et la cuve peuvent être conventionnels et ne nécessitent donc pas
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d'être décrite en détails. te moaccnrottateu? 8 suivant 1 invention, représenté sohéraatiqufffleat sur la ?los 0, ut se différencie des montages classiques que par l'adjonction d'éléments supplémentaire% ;
J'appareil lui-istrie peut être d'un type connu, tel par exemple celui décrit dans les compte rendus de l'Académie des Sciences de Paris, année
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1936 (ppe 164-167) ou tout autre montage 8 JPtundp Littrow, Ebert-Fastie, eex7ny.1"urner..
te faisceau lumineux papalle- le sortant de la cuve 6 est repris par un système optique 16
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qui focalise le faisceau 189 Sur le faisceau 18 faiblement convergent est Interposé un système modulateur Constitué par exemple par un disque 30 entratnd à vitesse constante par un moteur 22 (moteur aevnchrons synchronisé par exemple) vt percé de fenêtres disposées à intervalles régulière.
Le disque 20 module également un pinceau lumineux
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fourni par une source 24 ; un détecteur 289 constitué par Jazz exemple par une photo-diode soumise à l'action du pinceau, fournit une tension alternative de référence, d'amplitude
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constante et de fréquence Identique à celle du faisceaut destinée à la démodulation du signal de mesure, comme on le verra plue loin.
Le faisceau lumineux 18 modulé en amplitude penè-
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tre dans le apectrophotombtre b, travers une fente Ménagée dans un diaphragme 28 et un orifice prévu dans la partie centrale d'un premier miroir orientable de renvoi 30 et se
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réfléchit sur un miroir concave fixe 32, puis sur le sirote
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30.
Le miroir 30 renvoie le faisceau sur un système diaper- ait constitué par un réseau orientable 34# Un ensemble constitué par un miroir plan 3se un miroir concave 36 et un diaphragme 40 similaires aux airoire 30 et et et au diaphragme se forme un pinceau de lueiere ae&oeneMtiqae de longueur d'onde déterminée par l'orientation du réseau , :
34 et des miroirs 30 et 38 et le dirige sur le détecteur 10, constitué par exemple par une cellule au eulfure de plomb.
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t#orientation du réseau 34 pour déterminer la longueur d'onde de la lumière sortant du Nonoohroiaateur est effectuée par un système commandé par calte et représenté en VIS. 3 4 le réseau 34 est porté par une tige 43 tourilo lonnant dans des paliers fixée 44 et portant un doigt de commande 46 qu'un ressort 48 plaque contre un poussoir 50.
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Le poussoir 60 est actionné par une came 88 entraînée en rotation à vitesse constante par un moteur 54.: Cette came présente par exemple la forme représentée en Fig. 4, où deux des quatre secteurs correspondent chacun à la longueur d'onde A et sont séparés par deux secteurs
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correspondant respectivement aux longueurs d#onde et Àf k\ proches de mais hors de la raie d'absorption du fluide à doser et des raies d'absorption d'un gaz contenu dans l'atmosphère.
L'axe 56 de la came porte également un disque de , synchronisation 58, représenté en Fig. 5, associé à une
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source lumineuse 60 et à deux détecteurs 63 et 64. Le dis- V' que 58 est percé de deux jeux de fentes 86 et 68 (Mg. 5) disposés suivant deux cercles concentriques;au cours de
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la rotation du disque, les fentes 60 et 68 viennent reipeo- tivement découvrir les détecteurs 62 et 64 et provoquer leur illumination par la source 60* A chaque passage d'une font* devant un détecteur, celui-ci, constitué par exemple par une photo-diode polarisée,
fournit un top
Chaque jeu de fentes se compose de quatre fente*
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disposées de faion à fournir des tope de déclenchement et d'arrêt correspondant aux secteur# de la came, pour un xf" calage convenable du disque sur l'axe 56. Si par exemple t;
, la came et le disque tournent dans le sens des flbohes 9 et que le poussoir 50 arrive en contact avec la portion 70 de la came, correspondant à la longueur d'onde
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la fenêtre 861 (Fig. 5) passe sous la source 80 et provoque l'émission par la photo-diode 62 d'un top de déclenchement juste avant que le poussoir ne quitte la portion 70 de la came, la fente 862 provoque de nouveau l'illumination de la photo-diode et l'émission d'un top de blocage !la mené séquence se reproduit ensuite en faisant intervenir la por-
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tion 73 de la came, les fentes 8, et 68 et la photo-diode 64, et ainsi de suite,
Le dispositif ainsi décrit sort au fractionnement du signal rais par le détecteur 10 en portions correspondant
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respectivement là bt tàh rt w d'une parts N d'autre part, par l'intermédiaire d'un montage dont le toaeott de principe apparaît en yig. 6, où sont reportés eaipatturt, certains éléments des Fige 1 k 8.
Le signal fourni par le déteoteur 10 est amené par l'amplificateur linéaire 12 de tvpe quelconque à un niveau convenable, généralement de l'ordre du Volt le signal amplifié est appliqué par un conducteur 74 à l'entrée d'un amplificateur à deux voies 76 et 78.
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Lea topa dois par les diode es et 64 bout respie- tivement appliquée par des conducteurs su et 83 à daux u.tivibreteurs bintablen 84 et 86 1 chacun de ces multi- Vibrateurs fournit des signaux rectangulaires, dont le début et la fin sont provoquât par la réception des topa de pilotage (de déclenchement et de blocage) dois par les diodes ;
les signaux rectangulaires sont appliquée par des conducteurs 88 et 90 aux deux voies dont ile provoquent l'ouverture alternée ; la séparation peut être assurée par exemple par un tube 8, deux grilles de commande constituent 'entrée,
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l'6tage bloqub et débloqué par le signal rectangulaire.
L'allure des signaux dont on dispose à la sortie des éléments dejà décrits est donnée dans les Fige 7 1 la Fige 7a montre le signal de sortie du détecteur 10 : ce signal est à une fréquence porteuee fixée par le disque 20
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(500 8s par exemple) et il est modulé k une fréquence fixée par la came 53 : pour une came tournante. 0,5 t/oeop et présentant quatre secteurs, la fréquence d'exploration de ' la longueur d'onde @ est de 1 Hz.
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La 1'ig. 7b montre les tope émis par la diode 83, / eze deux tope successifs de déclenchement et de blocage étant par exemple séparés par un intervalle de tempo de 300 me.,
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légèrement inférieur k la durée du signal carré oorrer " 4 '., pondant z, la longueur d'onde A" '- lia Fige 7c montre dea signaux rectangulaires é.9'. ,': par le multivibrateur 84 1 ces signaux présentent une Ion* ;;3,k. gueur de 300 mat# égale l'intervalle qui sépare deux r tope successifs sur la Fig. 78.
La Fige 7d montre enfin le signal de sortie délivre par la vole 78 contrôlée par le multivibrateur 84 : ce
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signal représente l'intensité 100 qui traverse la oure pour les longueurs d'onde X+&) et X-AA Les figures qui pourraient être établie # pour l'ensemble du circuit destiné a fournir I#Inttnsttd 1 gor- respondant à la longueur d'onde X seraient eiwilairea c Fig. 7b et 7d aussi n'ont-elles PAS dtd repréMfttist, saut la Fige le qui correspond à la Mg.
7b et MatM 1#4 tope fournis par le détecteur 64* La démodulation des signaux fournie par le' 1,"*Ur filateurs 76 et 78 est effectuée par deux d6t*ot phare, Ce type de démodulateur <tta&% été onetti rapM A bande passante très étroite s o30 des dêterote et S6 fournit des impulsions dont l'aMplitude *et nelle à Io et 1 .et dont la durée *et t'3a à la sortie de chaque tteer owt UpM <# Montage redreeaeur-aapaoitt 4ae4M <)MïUp 4 0 impulsions une tension oontinufi 'ca oa V VXIUMUOMOM .A lo ou 1# Les tension pont 41trfto pw os <<twtf))LtM)a zou et $7 puis par . 'tr 4 t'1. est aatna.e pour donner au* & )L<te.a <8 '!0tt)t )a '' nalite entré Ye et 10 et oatre ' eït t 7 < **l j iAt- quées à l'une dos entré ss d ute mlleauvm %*vu; sus .a sonéra oaeupe les radf B# * a !.
% <te et a dissous aur la y91 là la partie rt$ri< @m%# m 1 1 t < haut a droite -4,6 1* . $ IL** e *U itt ft ' ***# lion 4'taeti au leeariïteae te% qb <MA <? Ut <Ltli optique aur 1& bfcïre tes iaf- ï<*6tl-ô* ttie ta la WM) fa décrite et touftlt mofette âtmt4o s&é66 It wa <*âL â*1wgr qui u1;4li*ô *Oxl t Ses ttmwo |& t fa* tii.% 0<!Mt-
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tent.
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Le calculateur sohématisé en 1'ig. e k titre d'exemple fait emploi, drlta flervo-mèoanlime pour fournir= signal fonction de I/Io, .1 est bien évident que d'au- tres montages seraient posâmes, utilisant directement 5, 1; signal d'erreur. Le principe de son fonctionnement oit le suivant t les signaux reproduisant I et Io attaquent l'un directement, l'autre par l'int$M<di<HM d'un Dttltattll réglable exponentiel qui le réduit dam un rappom OL 0 %14 montage qui fournit un signal d'erreur en et* de d<t<qui*' libre entre les deux tensions remuée. 0# signal d'erreur
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actionne un moteur de commande du potentiomètre réglable,
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moteur qui modifie CK jusqu'à annuler le signal d'erreur ot4 en même tempe aotionne un autre potentiomètre, coltii4 ot linéaire, pour fournir un signal proportionnel à ï<og 1/ïejt,' asat-..-dire . la densité optique d mcap.
En se reportant maintenant à la 1"ig. 6# le courant lo traversant le potentiomètre 98 donne lieu à une tension totale Vo = kla, tandis que le courant 1 traversant le potentiomètre ajustable 100 donne lieu à une tension "1: entre masse et curseur 104. Entre la natif et 10 dueditur 1@| (actionné par un moteur dipbeo-rd 9) du tt'9 ' existe ma éliUvsit0e de paal épît I MM z1#641104 de To iprt pot w f émotion oeumo do a $8<iea' flliliVI .
os le pe%# ti0*%t*9 et ea6paaea&d< %ou tension prélevée #" '1 ittfMttTi $ 9% $04 cat apes4tg*e 0 borne* dotm réoigluef lui lit leu d*ff69H# |9Ci constitoe le etgrMti t3 t ftflâ ilS, ' illintermédiatro ea Oort dtftr de 00,00 1M 11 flliil <j<soiateoy 60 00 1100 d'au IMO#Ï Mt#br 114 b ddrïi maordé et 40' <M!ttfttM) 11$, à ?sdi' 8
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oo8&t.D4, 116 eu Moteur diphasé U qui actionner curseur 10a jusqu'à ce que 11o soit sensiblement igal k y* Sur le aime axe que le our4tur bzz Au pot.n"!" mètre exponentiel 98 est Cali le curseur 118 d'un potena- tiombtrt rotatif proportionnel, monté en Beau inverse ,
u potentiomètre 98 et alimenté tout une tension connu* stabilisé*$ en va voir que la tension entre curseur 118
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et masse ateure la densité optique d rap qui intervient dans la formule (1) en effet on peut écrire (1)
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a m Log 10 m Log 1 (2) ; .
Si l'on suppoq.9 le potentiomètre 98 exponentiel, on ....1 J (puisque les tenaient recueillies sont prOpoiODDtll..
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aux résistances) Omax 0 -I!o . Vo 9 ¯¯¯iZx (3) Vo Oro k l'équilibre s Vo vo Vo# 10 En remplaçant par dans (3) et en prenant le logarithme on obtient # SSâï-ï-S .- Log Io # og I Oraax Ainsi, le potentiomètre linéaire fournit une
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tension proportionnelle à Lou 10 - Lou Zt o,..-4ir. , la densité optique d a ope À partir de la docuîtd optique touats e le OÎVCUÎT en haut droite de la Pigo 6 et représentée par aa signal de sortie transmis par le conducteur 120, le circuit en bas à droite de cette Mené figure calcule la eontratioa centra tien et l'affiche sur un appareil de mesure 122.
Si le corps absorbant eet constitué pu* de l'acide
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fluorhydrique en présence *hexafluorure d'uraniua 1'.b.o - tion ne suit pas la loi de Lambert-Beer la o&noéntratioa
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-4 -2
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Pour des valeurs o.pr1.e..ntre & a 10 et à x 10 peut être obtenue par la toraul.
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ou 8 Met une QQn&an. aepcnoemw ga 4appQ...² diluant (hexafluorure UFS dans le cas présent). d est la densité optique,
PT cet la pression totale du mélange gazeux
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binaire auquel peuvent s'ajouter des tracée d'autres ga< tels que cira N2....
La pression PT, relevée par un manomètre non représenté, est traduite par une tension injectée par un conducteur 124; par l'intermédiaire d'un potentiomètre ,
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d'ajustage, oette tension est appliquée à un mécanisme comprenant un amplificateur 126 attaqué également par la tension figurant la densité optique d.
Cet amplificateur excite l'enroulement de commande 128 d'un moteur diphasé M' qui effectue l'annulation du signal d'erreur par action sur un potentiomètre 130 Interposé sur l'entrée du signal de pression : le servomécanisme constitué ainsi par le poten- tiomètre 130, l'amplificateur 128 et le moteur M', similaire à celui constitué par l'amplificateur et le moteur il permet d ainsi de déterminer le rapport PT L'élévation au carré de ce rapport est effectuée en montant également sur l'ar- bre du moteur M' le curseur d'un potentiomètre parabolique 132 dont la résistance est proportionnelle au carré de l'élongation du curseur.
Le potentiomètre est alimenté sous une tension stabilisée et l'appareil 122 relié au curseur, donne une indication proportionnelle à la concentration* Le dispositif d'exploration par la came 52 repré-' sente en Fig. 3, 4 et 6, peut être remplacé par un sono.
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mécanisme représenta schématiquement en Fig. 8. Sur cette figure, les éléments déjà représentés portent un Numéro de référence inchangé.
Un condensateur plan 134 a une armature solidaire du réseau 34, l'autre armature étant solidaire du bâti de l'appareil est donc fixe, Le condensateur 134 est placé dans un disoriminateur de fréquence 136 piloté par un oscillateur à quarte 138 à travers un tube limiteur d'ampli tude non représenté.
Le di@riminateur donne une tension variable en fonction de la position de l'électrode du condensateur 143 liée au réseau :Pour régler la position angulaire du réseau dans trois orientations légèrement différentes, il suffit d'opposer successivement la tension détectée provo- nant du discriminateur à trois tensions de référence mise. en circuit l'une après l'autre durant un temps At (le tempo de passage de l'une à l'autre étant très faible devant ¯t).
La différence entre la tension détectée et la tension de référence constitue la tension d'erreur du servo-mécanisme qui peut être de type conventionnel et ne .nécessite donc pas d'être décrit. Après modulation par un relais 140 et amplification par un amplificateur 143, la tension d'erreur excite le moteur diphasé M" qui entre en rotation et amène le réseau et donc le condensateur 134 dans une position pour laquelle la tension du disoriminateur égale la tension de référence.
Un commutateur synchrone 144 permet d'effeo- tuer le passage de ¯+¯@ à @ puis à @-¯@. à @, à @+¯@ et ainsi de suite ; sur l'arbre du moteur syn- chrone 54 d'entraînement du commutateur 144 est également monté le disque 58. La position X peut être réglée avec
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précision en rendant les résistances 146 variables par un potentiomètre ; de même les positions @+¯@ et @-¯@ peuvent être ajustées par modification des résistances 148 et 150.
L'avantage de oe type d'exploration réside notam- ment dans la détermination de la position du réseau par un organe qui lui est rigidement lié ; on supprime ainsi les jeux de contact et l'influence de l'usure de la case de plus le réglage sur 1\ est facilité et la largeur d'exploration a ¯@ est réglable à volonté en agissant sur les résistances 148 et 150.
La description qui précède fait apparaître les avantages de l'invention suffisamment clairement pour qu'il ne soit pas nécessaire de les souligner. Il suffit de men- tionner que les bute indiqués au début de l'exposé. sont pleinement remplis : la modulation du faisceau lumineux permet une amplification dans un rapport élevé qui rend la mesure plus précise, amplification qui présente l'avanta- ge supplémentaire d'éliminer les parasites à une fréquence différente de la fréquenoe de modulation.
De plus dans son application à la spectrophotométrie à un seul faisceau, notamment en vue de la détermination de la concentration d'un fluide corrosif, l'invention permet une fidélité bien,' supérieure à celle des procédés et appareils antérieurs opérant avec deux faisceaux tout en conservant l'avantage ' de la masure en continu qui leur était jusque présent réservé.
Il est évident que l'invention ne se limite pas aux exemples décrits, et que la portée du présent brevet s'étend aux procédés et dispositifs équivalents à ceux décrits.
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usable for the $ fluid #, which should be tale = $ in a tank whose windows add their own absorption that of the body quoell # 4 contain.
To measure the transmission coefficient of the fluids *, a two-beam repeater is generally used: taiooeau #onoonroaatiquis and wavelength one passes through a reference tank, the other through a safety tank * cut by the mixture to be dosed # the two beams being either independent, or constituted by the mime brush deviated alternately towards one and
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the other tank (apootrometer of the so-called iliaicer beau * type), @ the ratio of the residual intensities of the two beams makes it possible to determine the transmission coefficient. ,.
The first solution has a drawback
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rajour 4 the optical elements of the two channels used # i = (eouroe, photosensitive element) must be absolutely identical or at least present immutable characteristics to allow a calibration! in fact, the
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aging of $ elements changes their oaraotericea, hence a detrimental drift to the fidelity of the device.
Quant. to the second solution, which obviously requires splitting the beam into signals which attack either a mime
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eléiaent phototenaibleg is two diet elements, it # has the disadvantage of not being very sensitive t indeed, ¯:! r. it provides signals that are appreciably square, shifted, in the tompat which it is difficult to amplify and to detect, linearly to compare them.
Last but not least, these two solutions are ineffective for the continuous assay of ooen * otiîto # mixtures, such as samples loaded with hydrofluoric acid.
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Indeed in this case, the transmission coefficient 404.1 ", windows of the reference cell does not change, while that of the windows of the measuring cell changes due to
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corrosion by gai * - # - -> The invention aims to design a method of epeotrophotONetrie overcoming the defects of the previous systems, in particular the lack of sensitivity, /.
of the "i7.olcer beau" system, and lending itself perfectly to apectrophotometry with a single beam, only procedure applicable to the case of fluids corrooiteo the water vapor preeenoe having on the other hand no influence on the measurement results .
The application of the process according to the invention to the determination of the concentration of a sample in a given gas, exhibiting an absorption line of length
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wave K is based on the existence of a law relating the light absorption to the concentration t if for example the gas follows the Lambert-Beer law, the ratio of the energy flux I (in monoohromatic light of length
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wave i1 leaving the sample at the incoming flow 10 is related to the thickness crossed by the law
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where and is an absorption coefficient proportional to the concentration o. ;
Io can be determined by measuring at a slightly different wavelength or% for which the absorption hardly varies with the concentration and it kills outside the absorption lines of water and carbon dioxide. , atmospheric bonique * This is possible because of the high resolution of the apparatus according to the invention. Of
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even,
the optical transmission factor of the windows of the cell can be considered as substantially constant in the band of wavelengths going from @@@ to @ - @@ oe which is the case when ¯ @ is low.
Under these conditions, and and the absorption is zero for these two wavelengths, oe which is practically the case in general, the law (1) remains valid considering \, that I and Io are the fluxes leaving a or even currents or voltages proportional to these flows.
. The invention aims at the design of a single beam spectrophotometry method applicable to the determination of the concentration * of an absorbent gax (or more generally * a fluid) which can be used even in the case where the fluid is corrosive and alters the property $ optical, 'of the tank:
for this purpose, the invention provides a method comprising producing a beam of light, weakening the beam by passing through a sample, modulating the amplitude of the beam at a predetermined frequency, selecting alternative in the beam of at least two wavelengths close to each other and only one of which corresponds to an absorption line of the sample, the creation of an electric signal by a photosensitive element alternately subjected to the action of the two wavelengths of the weakened beam, the selective amplification of the component at the predetermined frequency of said signal, the detection of the amplified signal and the comparison of the intensities corresponding to the two wavelengths in the signal detected.
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ta wiee implementing the defined procedure * t-494888 t. can be carried out in a # ptotropaotometer comprising ". an optical device for producing a light beam,
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a tank with: transparent face @ receiving a 6h <m <! t1Ha <placed on the path of the beam # a non-ohhromatic device for selecting a First wavelength corresponding to an absorption line of the sample and at 'anoint a second wavelength not corresponding, j to an absorption line, an extalatton device of, #;
, # the light intensity of the beam at a predetermined frequency, a two-vote amplifier system tuned to
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said predetermined frequency, a device of oo <Baande of the monochromator at any rate causing the
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alternative selection of a signal at the first wavelength and of a signal at the second wavelength, a synchronization device alternately actuating one of the amplification channels while blocking the other in synchronism with the output signals to the first
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and the second wavelength,
a system aliatente by the two amplification channels and carrying out the ratio of the signals received to determine the optical denote of the sample for the absorption line.
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The invention also consists of other dimpo * sittont advantageously usable in liais = with. previous but may be independently * The invention will be better understood from the description which follows of an embodiment of the invention given by way of non-limiting example * The
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description does not refer to the draws who aooowpagneat and in which
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- the no * 1 tut a #ohiM of prtuipo of an apootroo photoaetre euivant loinventton 1 - 'the Y18;
to this a simple view Outlining the optical system of the device according to ig. 1 and in particular the monochromator and the absorption tank - Fig 3 is a schematic view * apart from the cam scanning and synchronization system - Fig 4 shows a cam used in the
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rig device. 3; - Fig 5 shows a synchronization disc, used in the Fig 3 system;
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- Fig. 6 is a block diagram of the amplifier-detector and computer systems associated with the
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optical system of Fig.8;
, - lee 1'ig. 7a, 7b, 7o, 7d and 7e show 1 zij "# \ ¯- S, form of the signals provided by various elements of the system;.; - ## / of Fig 3; and Fig 8 is a block diagram of 'a variant of the Fig 3 system.
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On the schematic diagram of lig. 1 appears,; t 'feels the essential elements of the spectrophotoaetre' eae 'constituted by the source and the oondensatour optical system 4 provides a parallel beam of light which passes through the tank 6 containing the sample to be studied. To avoid parasitic reflections, the beam that attacks
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the terminal faces # of the tank must be convergent or practically normal to them * On leaving the tank 6, the beam is picked up by a monochromator 8 which can select several wavelengths $ including one
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This responds to an absorption line of the sample.
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The intensity of the faiaoeau tranaaia is measured by a detector 10 which drives a linear amplifier 1 of aaan.w tion of an apparatus 14 for measuring or recording
The source 2, the optical system 4 and the tank can be conventional and therefore do not require
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to be described in detail. you moaccnrottateu? 8 according to the invention, shown soheratiqufffleat on the? Los 0, ut differs from conventional assemblies only by the addition of additional elements%;
The apparatus itself may be of a known type, such as, for example, the one described in the reports of the Académie des Sciences de Paris, year
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1936 (ppe 164-167) or any other assembly 8 JPtundp Littrow, Ebert-Fastie, eex7ny.1 "urner ..
the papalle light beam - the output from tank 6 is picked up by an optical system 16
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which focuses the beam 189 On the weakly converging beam 18 is Interposed a modulator system consisting for example of a disc 30 entratnd at constant speed by a motor 22 (synchronized aevnchrons motor for example) vt pierced with windows arranged at regular intervals.
Disc 20 also modulates a light brush
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provided by a source 24; a detector 289 constituted by Jazz, for example, by a photo-diode subjected to the action of the brush, provides an alternating voltage of reference, of amplitude
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constant and of frequency Identical to that of the beam intended for the demodulation of the measurement signal, as will be seen further on.
The light beam 18 modulated in amplitude pen-
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be in the apectrophotombtre b, through a slot made in a diaphragm 28 and an orifice provided in the central part of a first orientable return mirror 30 and
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reflects on a fixed concave mirror 32, then on the sip
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30.
The mirror 30 returns the beam to a diaper system formed by an orientable network 34 # An assembly consisting of a plane mirror 3se a concave mirror 36 and a diaphragm 40 similar to the airoire 30 and and and the diaphragm forms a light brush ae & oeneMtiqae of wavelength determined by the orientation of the grating,:
34 and mirrors 30 and 38 and directs it onto detector 10, for example constituted by a lead eulfide cell.
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t # orientation of grating 34 to determine the wavelength of light exiting the nonohroiaateur is performed by a calte-controlled system and represented in VIS. 3 4 the network 34 is carried by a rod 43 rotating in bearings fixed 44 and carrying a control finger 46 that a spring 48 plate against a pusher 50.
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The pusher 60 is actuated by a cam 88 driven in rotation at constant speed by a motor 54 .: This cam has for example the form shown in FIG. 4, where two of the four sectors each correspond to wavelength A and are separated by two sectors
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corresponding respectively to the wavelengths and λf k \ close to but outside the absorption line of the fluid to be assayed and the absorption lines of a gas contained in the atmosphere.
The axis 56 of the cam also carries a synchronization disc 58, shown in FIG. 5, associated with a
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light source 60 and two detectors 63 and 64. The disk 58 is pierced with two sets of slots 86 and 68 (Mg. 5) arranged in two concentric circles;
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the rotation of the disc, the slots 60 and 68 reipeotentially uncover the detectors 62 and 64 and cause their illumination by the source 60 * Each time a font * passes in front of a detector, the latter, consisting for example of a polarized photo-diode,
provides a top
Each slot game consists of four slots *
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arranged so as to provide the trigger and stop tops corresponding to the sector # of the cam, for xf "suitable setting of the disc on the axis 56. If for example t;
, the cam and the disk rotate in the direction of the flbohes 9 and that the pusher 50 comes into contact with the portion 70 of the cam, corresponding to the wavelength
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the window 861 (Fig. 5) passes under the source 80 and causes the emission by the photo-diode 62 of a trigger signal just before the pusher leaves the portion 70 of the cam, the slot 862 again causes the illumination of the photo-diode and the emission of a blocking signal! the led sequence is then reproduced by involving the port-
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tion 73 of the cam, the slots 8, and 68 and the photo-diode 64, and so on,
The device thus described comes out of the splitting of the signal raised by the detector 10 into corresponding portions.
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respectively there bt tàh rt w on the one hand N on the other hand, via an assembly whose principle toaeott appears in yig. 6, where are reported eaipatturt, some elements of Fige 1 k 8.
The signal supplied by the deteotor 10 is brought by the linear amplifier 12 of any tvpe to a suitable level, generally of the order of the Volt the amplified signal is applied by a conductor 74 to the input of a two-way amplifier 76 and 78.
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Lea topa must by the diodes es and 64 end respec- tively applied by conductors su and 83 to u.tivibreteurs bintablen 84 and 86 1 each of these multivibrators provides rectangular signals, the beginning and end of which are caused by the reception of the piloting signals (triggering and blocking) must by the diodes;
the rectangular signals are applied by conductors 88 and 90 to the two tracks which cause the alternate opening; the separation can be ensured for example by a tube 8, two control grids constitute 'input,
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the stage blocked and released by the rectangular signal.
The shape of the signals available at the output of the elements already described is given in Fig. 7 1 Fig. 7a shows the output signal from detector 10: this signal is at a carrier frequency fixed by disk 20
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(500 8s for example) and it is modulated k a frequency fixed by the cam 53: for a rotating cam. 0.5 t / oeop and having four sectors, the scanning frequency of the wavelength @ is 1 Hz.
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The 1'ig. 7b shows the peaks emitted by the diode 83, / eze two successive tripping and blocking peaks being for example separated by a tempo interval of 300 me.,
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slightly less than the duration of the square wave oror "4 '., weighting z, the wavelength A" "- Fig. 7c shows rectangular signals .9'. , ': by the multivibrator 84 1 these signals present an Ion * ;; 3, k. 300 mat # equals the interval between two successive lines in Fig. 78.
Fig. 7d finally shows the output signal delivered by flight 78 controlled by multivibrator 84: this
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signal represents the intensity 100 which crosses the oure for the wavelengths X + &) and X-AA The figures which could be established # for the whole of the circuit intended to provide I # Inttnsttd 1 corresponding to the length wave X would be eiwilairea c Fig. 7b and 7d also were NOT represented, skip the Freeze which corresponds to Mg.
7b and MatM 1 # 4 tope supplied by the detector 64 * The demodulation of the signals supplied by the '1, "* Ur spinners 76 and 78 is carried out by two flagship d6t * ot, This type of demodulator <tta &% summer onetti rapM A very narrow bandwidth s o30 of the deteote and S6 provides pulses whose amplitude * et nelle to Io and 1. and whose duration * and t'3a at the output of each tteer owt UpM <# Montage redreeaeur-aapaoitt 4ae4M < ) MïUp 4 0 pulses a continuous voltage 'ca oa V VXIUMUOMOM .A lo or 1 # The bridge voltage 41trfto pw os << twtf)) LtM) a zou and $ 7 then par.' Tr 4 t'1. Is aatna.e to give to * &) L <te.a <8 '! 0tt) t) a' 'nalite entered Ye and 10 and oatre' eït t 7 <** lj iAtquées to the one back entered ss d ute mlleauvm % * vu; sus .a sound oaeupe the radf B # * a!.
% <te and dissolved at y91 there the part rt $ ri <@ m% # m 1 1 t <top right -4.6 1 *. $ IL ** e * U itt ft '*** # lion 4'taeti au leeariïteae te% qb <MA <? Ut <Ltli optic aur 1 & bfcïre tes iaf- ï <* 6tl-ô * ttie ta la WM) fa described and touftlt mofette âtmt4o s & é66 It wa <* âL â * 1wgr qui u1; 4li * ô * Oxl t Ses ttmwo | & t fa * tii.% 0 <! Mt-
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tent.
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The computerized calculator in 1'ig. e k as an example used, drlta flervo-mèoanlime to provide = signal function of I / Io, .1 it is quite obvious that other assemblies would be posâmes, using directly 5, 1; error signal. The principle of its operation is that the signals reproducing I and Io attack one directly, the other by the int $ M <di <HM of an exponential adjustable Dttltattll which reduces it to a 0% OL ratio 14 assembly which provides an error signal in and * of d <t <which * 'free between the two stirring voltages. 0 # error signal
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actuates an adjustable potentiometer control motor,
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motor which modifies CK until canceling the error signal ot4 at the same time aotionne another potentiometer, coltii4 ot linear, to provide a signal proportional to ï <og 1 / ïejt, 'asat -..- say. the optical density d mcap.
Referring now to 1 "ig. 6 #, the current lo flowing through potentiometer 98 gives rise to a total voltage Vo = kla, while current 1 flowing through adjustable potentiometer 100 gives rise to a voltage" 1: between ground and cursor 104. Between native and 10 dueditur 1 @ | (powered by a dipbeo-rd 9 motor) from tt'9 'exists ma éliUvsit0e de paal épît I MM z1 # 641104 de To iprt pot w f emotion oeumo do a $ 8 <iea' flliliVI.
os le pe% # ti0 *% t * 9 and ea6paaea & d <% or voltage sampled # "'1 ittfMttTi $ 9% $ 04 cat apes4tg * e 0 terminal * dotm reoigluef reads leu d * ff69H # | 9Ci constitoe le etgrMti t3 t ftflâ ilS, 'illintermédiatro ea Oort dtftr de 00.00 1M 11 flliil <j <soiateoy 60 00 1100 au IMO # Ï Mt # br 114 b ddrïi maordé and 40' <M! ttfttM) $ 11, at? sdi ' 8
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oo8 & t.D4, 116 eu Two-phase motor U which actuate cursor 10a until 11o is appreciably igal k y * On the likes axis that the our4tur bzz Au pot.n "!" exponential meter 98 is Cali the cursor 118 of a proportional rotary potena- tiombtrt, mounted in Beau inverse,
u potentiometer 98 and supplied with a known voltage * stabilized * $ in will see that the voltage between cursor 118
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and mass is the optical density d rap which occurs in formula (1) indeed we can write (1)
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a m Log 10 m Log 1 (2); .
If one suppoq.9 the potentiometer 98 exponential, one .... 1 J (since the held collected are prOpoiODDtll ..
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resistances) Omax 0 -I! o. Vo 9 ¯¯¯iZx (3) Vo Oro k the equilibrium s Vo vo Vo # 10 By replacing by in (3) and taking the logarithm we obtain # SSâï-ï-S .- Log Io # og I Oraax Thus , the linear potentiometer provides a
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voltage proportional to Lou 10 - Lou Zt o, ..- 4ir. , the optical density of the ope From the optical document all the OÎVCUÎT at the top right of the Pigo 6 and represented by aa output signal transmitted by the conductor 120, the circuit at the bottom right of this Mené figure calculates the eontratioa centra yours and displays it on a measuring device 122.
If the absorbent body is made up of acid
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hydrofluoric in the presence * hexafluoride d'uraniua 1'.b.o - tion does not follow Lambert-Beer's law la o & noéntratioa
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For values o.pr1.e..n between & a 10 and at x 10 can be obtained by the toraul.
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or 8 Met a QQn & an. aepcnoemw ga 4appQ ... ² diluent (UFS hexafluoride in this case). d is the optical density,
PT this the total pressure of the gas mixture
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binary to which can be added plots of other ga <such as cira N2 ....
The pressure PT, measured by a manometer not shown, is translated by a voltage injected by a conductor 124; via a potentiometer,
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adjustment, this voltage is applied to a mechanism comprising an amplifier 126 also driven by the voltage representing the optical density d.
This amplifier excites the control winding 128 of a two-phase motor M 'which cancels the error signal by acting on a potentiometer 130 Interposed on the input of the pressure signal: the servomechanism thus constituted by the potential tiometer 130, the amplifier 128 and the motor M ', similar to that constituted by the amplifier and the motor, it thus makes it possible to determine the PT ratio. - bre of the motor M 'the cursor of a parabolic potentiometer 132 whose resistance is proportional to the square of the elongation of the cursor.
The potentiometer is supplied with a stabilized voltage and the apparatus 122 connected to the cursor, gives an indication proportional to the concentration. The device for exploring by the cam 52 represented in FIG. 3, 4 and 6, can be replaced by a sound system.
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mechanism schematically represented in FIG. 8. In this figure, the elements already shown have an unchanged Reference Number.
A planar capacitor 134 has an armature integral with the network 34, the other armature being integral with the frame of the apparatus is therefore fixed. The capacitor 134 is placed in a frequency disoriminator 136 driven by a quad oscillator 138 through a tube amplitude limiter not shown.
The di @ riminator gives a variable voltage as a function of the position of the electrode of capacitor 143 linked to the network: To adjust the angular position of the network in three slightly different orientations, it is sufficient to successively oppose the voltage detected originating from the three reference voltage discriminator set. in circuit one after the other during a time At (the passage tempo from one to the other being very weak in front of ¯t).
The difference between the detected voltage and the reference voltage constitutes the error voltage of the servo-mechanism which may be of conventional type and therefore does not need to be described. After modulation by a relay 140 and amplification by an amplifier 143, the error voltage excites the two-phase motor M "which starts to rotate and brings the network and therefore the capacitor 134 in a position for which the voltage of the disoriminator equals the voltage of reference.
A synchronous switch 144 makes it possible to switch from ¯ + ¯ @ to @ then to @ -¯ @. at @, at @ + ¯ @ and so on; on the shaft of the synchronous motor 54 for driving the switch 144 is also mounted the disc 58. The position X can be adjusted with
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precision by making the resistors 146 variable by a potentiometer; similarly the positions @ + ¯ @ and @ -¯ @ can be adjusted by modifying resistors 148 and 150.
The advantage of this type of exploration resides in particular in the determination of the position of the network by an organ which is rigidly linked to it; the contact clearances are thus eliminated and the influence of the wear of the box, moreover, the adjustment to 1 \ is facilitated and the scanning width a ¯ @ can be adjusted at will by acting on resistors 148 and 150.
The above description shows the advantages of the invention sufficiently clearly that it is not necessary to emphasize them. It suffices to mention that the stops indicated at the beginning of the presentation. are fully filled: the modulation of the light beam allows amplification in a high ratio which makes the measurement more precise, amplification which has the additional advantage of eliminating interference at a frequency different from the modulation frequency.
In addition, in its application to spectrophotometry with a single beam, in particular with a view to determining the concentration of a corrosive fluid, the invention allows a fidelity that is well, 'superior to that of the prior methods and apparatuses operating with two whole beams. while retaining the advantage of the continuous hovel which was until now reserved for them.
It is obvious that the invention is not limited to the examples described, and that the scope of the present patent extends to methods and devices equivalent to those described.