FR2642524A1 - Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux et/ou a l'etat de vapeur d'un melange gazeux - Google Patents
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Abstract
Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux et/ou à l'état de vapeur d'un mélange gazeux, en utilisant des zones de réaction visuellement observables de tubes à essai de gaz qui contiennent une substance réagissant aux composants à déceler, la modification de la zone de réaction pouvant être constatée par observation directe et/ou à l'aide d'un dispositif de balayage opto-électronique. Selon l'invention, la substance réactive est logée dans au moins un canal 1 qui est formé dans un support 2 et dont la section dans la zone de réaction est inférieure à 1 mm**2.
Description
Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux et/ou à
l'état de vapeur d'un mélange gazeux L'invention concerne un dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux et/ou à l'état de vapeur d'un mélange gazeux, en utilisant des zones de réaction visuellement observables de tubes à essai de gaz qui contiennent une substance réagissant aux composants à déceler, la modification de la zone de réaction pouvant être constatée par observation
directe et/ou à l'aide d'un dispositif de balayage opto-électronique.
D'une manière connue, des tubes à essai de gaz servent à mesurer la concentration de substances nocives sur le lieu de travail, et le spectre des gaz et des vapeurs à déceler, et par suite la sélection des tubes de mesure correspondants, est ici largement connu sur la base de mesures antérieures ou
encore de connaissances préalables sur les substances qui apparaissent.
On rencontre quelques difficultés lorsqu'il s'agit de déceler par des mesures de laboratoire, sans déterminations précises coûteuses, des substances nocives de type et de concentration inconnus qui apparaissent par exemple lors d'un accident chimique ou dans une décharge de déchets spéciaux. Dans de tels cas d'application, des tubes à essai en un agencement combiné apportent des avantages importants de gain de temps pour la détermination des substances nocives, et leurs indications peuvent par exemple servir de base pour décider si des mesures d'évacuation doivent être
rapidement prises, ou sont à exclure du fait de l'absence de danger.
Attendu que dans de tels dispositifs de mesure, il faut souvent remplir du mélange à analyser plusieurs tubes à essai, jusqu'à vingt dans certaines circonstances, et comme les résultats de mesure des diffférents tubes à essai doivent être disponibles le plus rapidement et simultanément possible, éventuellement pour être traités dans des appareils évaluateurs électroniques, on a besoin de disposer d'un agencement multiple avec une sensibilité élevée des différents tubes à essai, qui permette en outre un remplacement rapide
de l'ensemble des tubes à essai.
On connaît également par l'état de la technique un appareil de mesure selon le brevet allemand DE-C 26 26 600, dans lequel, à l'aide d'un dispositif de balayage opto-électronique commun, on balaye successivement plusieurs régions d'essai d'une bande d'essai à évaluer avec des éléments d'éclairage
sélectif et de transmission, selon un procédé de multiplexage dans le temps.
De telles bandes d'essais, munies de zones de réaction séparées les unes des autres, sont utilisées pour analyser des liquides, en particulier pour des
analyses médicales d'urine.
L'invention a pour but d'améliorer le principe connu de l'utilisation de tubes à essai pour l'analyse d'un mélange gazeux et/ou à l'état de vapeur, de façon à pouvoir éventuellement réaliser une multiplicité de réactions d'essai à un coût relativement faible en réactifs, avec une sensibilité de réponse
élevée et un agencement compact, peu encombrant.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que la substance réactive est logée dans au moins un canal qui est formé dans un support et dont la
section dans la zone de réaction est inférieure à I mm2.
Une telle configuration en canal, qui constitue dans son principe un tube à essai, apporte avec une faible quantité de substance de décèlement, un décèlement très sensible de la substance nocive correspondante, et ce déjà à des concentrations auxquelles des tubes à essai de dimensions normales ne permettent pas encore de déceler une zone de décoloration observable. Le faible besoin de substance de décèlement, comme le support sur lequel sont disposés les canaux est réalisé sous la forme d'un article à jeter, ne produit qu'une contamination relativement faible sur l'environnement. En outre, avec de tels tubes à essai (canaux) microscopiques, on n'a besoin que de quelques ml/mn de volume d'aspiration par canal. Donc des pompes très petites et un
fonctionnement sur accumulateurs de faible puissance.
Les canaux peuvent être disposés sur le support dans les configurations géométriques les plus diverses, en un ou plusieurs exemplaires, en spirale ou en zigzag, avec la même substance de décèlement ou avec plusieurs substances de décèlement différentes. On peut ainsi reproduire tant des tubes à essai de passage que des tubes à essai de diffusion. Dans le cas de tubes à essai de diffusion, du fait de la faible section du canal, on peut renoncer à monter en amont un tronçon de stabilisation pour obtenir une diffusion non perturbée; de même, pour des tubes à essai de passage, l'effet d'étranglement. du à la faible section du canal remplace un moyen
d'étrangement additionnel pour limiter la vitesse d'écoulement.
Une forme de réalisation opportune peut prévoir que la section du canal ou des canaux d'un agencement multiple soit inférieure à 10 prm2. Sur le support, on peut.également avantageusement disposer plusieurs canaux reliés en parallèle en matière d'écoulement ou séparément raccordables, ces canaux ou bien un canal individuel pouvant être allongés par des itinéraires de
détournement linéaires ou courbes.
Du fait de l'étroitesse des canaux,. on obtient dès le début de l'entrée de l'échantillon de gaz dans le canal une diffusion stabilisée, de sorte qu'on peut renoncer à un tronçon à contre-courant de stabilisation monté en amont ou encore à un moyen d'étrangement du flux. Malgré l'effet d'étranglement important du canal, on obtient une progression suffisamment rapide de la -zone décolorée, de sorte que les zones de décèlement peuvent être correctement évaluées par des unités évaluatrices optiques rapides. Un canal réalisé dans ces dimensions permet, malgré des quantités d'indicateur avantageusement faibles, un décèlement très sensible de la substance à tester. La quantité de substance indicatrice, qui est maintenant faible comparée aux tubes à essai connus dont les remplissages d'indicateur pouvaient atteindre quelques centimètres cube, apporte une réduction souhaitée, toujours plus importante, de la contamination de l'environnement
par les tubes à essais utilisés.
Dans une forme de réalisation opportune, le canal ou les canaux peuvent être gravés par corrosion sur un support en forme de plaque. Une autre possibilité de réalisation, également avantageuse, peut consister en ceci que le canal est obtenu par moulage dans un support en forme de plaque. Le
canal peut enfin opportunément être rodé sur un support en forme de plaque.
Le support en forme de plaque peut être réalisé préférentiellement en verre ou en céramique, mais aussi en plastique ou en métal. Fondamentalement, on peut employer toutes les méthodes de fabrication qui permettent de réaliser des guidages linéaires d'évidements de faible profondeur dans des matériaux
métalliques ou non métalliques.
Dans une exécution opportune, le canal peut ère configuré entre un support en forme de plaque et un revêtement de surface. Une autre possibilité opportune consiste à disposer le canal entre le support en forme de plaque et une plaque de recouvrement qui peut être constituée de préférence d'un matériau de même type. Les différents canaux peuvent être réalisés de différentes manières dans la configuration supplémentaire connue pour des
tubes à essai, avec couche préalable, obturation et similaires.
Les canaux sont enduits de l'indicateur ou encore du réactif. La faible étendue nécessite soit d'appliquer du gel de silice sur des supports indicateurs sous la forme de petites particules de poussière, pourvus de l'indicateur, sur le fond du canal, soit de l'appliquer sur les faces du canal qui sont tournées
vers l'unité évaluatrice au moyen d'une colle indifférente.
Du fait des faibles dimensions spatiales, il apparaît avantageux de disposer plusieurs canaux sur un support en forme de puce électronique, qui peut être installé avec possibilité de remplacement dans un dispositif de balayage opto-électronique. Le dispositif de balayage optoélectronique, qui peut être commun pour tous les canaux ou pour plusieurs, ou encore associé aux différents canaux, peut être par exemple construit conformément à la demande de brevet allemand DE-A 15 98 021 ou 26 28 790. Il peut être en outre avantageux de relier plusieurs canaux avec un dispositif de balayage opto-électronique, ou encore de les amener successivement dans la région de mesure de ce dispositif de balayage, et que les signaux de sortie obtenus par balayage des différents canaux soient fournis pour évaluation à un microprocesseur. On peut alors opportunément n'évaluer comme valeurs de mesure numériques que des valeurs de seuil telles
que la saturation de couleur et/ou le lieu de la décoloration longitudinale.
Une détermination de valeur de seuil pour une saturation de couleur suppose qu'on peut réaliser avc de tels tubes à essai microscopiques également des mesures de saturation de couleur, et non des mesures de longueur de coloration. En fait, ces agencements de canaux conviennent tant pour des mesures de longueur de coloration que pour des mesures de saturation de couleur, si l'on utilise des dispositifs de balayage optoélectroniques déjà connus correspondants. Les modèles numériques des canaux ainsi obtenus reçoivent par l'intermédiaire d'une table en mémoire morte leur affectation à la liste des groupes de substances concernées, et ils fournissent éventuellement également des indications pour d'autres mesures. Les signaux de sortie obtenus par balayage des différents canaux et enregistrés dans le microprocesseur peuvent aussi, dans le cas de mélanges gazeux ou à l'état de vapeur de composition inconnue, être analysés par un modèle de vraisemblance mémorisé, de sorte qu'on peut donner au moins des indications
sur le type des substances présentes.
Des agencements multiples de canaux correspondant à des tubes à essai individuels sont rassemblés en ce qu'on appelle des "arrays" ("arrangements"), et des canaux non spécifiques peuvent aussi être inclus, par exemple pour des acides, d'une manière similaire aux tubes à essai connus à plusieurs substances. Une substance nocive particulière fait réagir à chaque fois une combinaison donnée de canaux de l'agencement, et les valeurs affichées sont fournies au microprocesseur. Il désigne alors, éventuellement à l'aide du modèle de vraisemblance, le ou les substances nocives ou encore groupes de
substances nocives qui sont vraisemblablement présents.
Comme pour des tubes à essai de gaz, il peut être opportun de prévoir une obturation hermétique du canal ou selon le cas des canaux jusqu'à la mise en service. Pour cela, on peut utiliser, d'une manière connue, des pointes à briser ou des ouvertures terminales fermées par une feuille, qui peuvent être
ouvertes par enlèvement ou perforation.
En vue de réaliser de tels appareils de mesure munis des canaux indiqués pour de l'ammoniac ou de l'acide chlorhydrique, des petites boules de verre d'un diamètre de quelques microns ou moins sont mélangées à sec avec du vert de bromocrésol et collées sur des supports en matière plastique qui, par un usinage mécanique adéquat (découpage par exemple), servent ensuite à habiller les canaux. Le vert de bromocrésol est fixé comme indicateur sur les surfaces des boules selon le procédé sol-gel, qui est habituellement utilisé pour la fabrication de gel de silice (de l'oxyde de silicium est hydrolisé en
hydrosol, qui est gélifié par agglomération en un gel ou hydrogel).
Avec ce même procédé sol-gel, on peut enduire directement d'une couche indicatrice des sections de canaux encore plus petites (capillaires). De tels revêtements peuvent aussi s'effectuer en collant sur les surfaces une poussière indicatrice pulvérulente. Les deux procédés de revêtement se trouvent dans le fascicule de brevet allemand DE-I 037 725, avec indication des composants adéquats, y compris de la colle adéquate. Les réactifs qui y sont mentionnées pour le décèlement des substances qui réagissent avec eux
sont également utilisables dans le présent appareil de décèlement.
Des exemples de réalisation de l'invention, à partir desquels ressortent des détails supplémentaires de l'invention, sont représentés schématiquement sur le dessin annexé, dans lequel: la figure 1 est une vue de dessus d'un support avec un agencement multiple de canaux, la figure 2 et une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1, la figure 3 est une vue du côté frontal d'un support selon la figure 1, la figure 4 est une vue de dessus d'une autre configuration possible d'un support, avec itinéraire de détournement des canaux, la figure 5 explique, sur la représentation en coupe transversale du support, les différentes étapes du branchement de la pompe, la figure 6 est un schéma-blocs pour un dispositif de mesure à employer conjointement avec un support selon les figures 1 à 5, et
la figure 7 est une vue en coupe d'un canal revêtu.
Les figures 1 à 3 représentent un support en forme de plaque 2, dans lequel est prévu un agencement multiple de canaux 1. Les ouvrtures d'admission ou encore d'aspiration des canaux 1 sont fermées avant la mise
en service par une feuille d'obturation 4 qui peut être enlevée ou perforée.
Dans les canaux I se trouvent les réactifs adéquats pour les composants
gazeux à déceler.
En amont des différents canaux I du côté d'écoulement entrant est montée une couche préalable 5, par exemple pour séparer l'humidité. Les
canaux I sont recouverts d'une plaque de recouvrement 3 du côté du support.
Dans la configuration représentée, il est prévu que les différents canaux I soient amenés successivement dans la région d'action du dispositif de balayage opto-électronique explicité à la figure 6. Pour le mouvement de translation nécessaire à cet effet du support 2, il est prévu une paire de rouleaux de transport 7, 8 ayant l'élasticité du caoutchouc, qui constituent un
élément de transport pour le support 2.
Dans la configuration du support selon la figure 4, il est prévu un itinéraire de détournement en zigzag des différents canaux 1. Les ouvertures d'aspiration des canaux débouchent dans cette forme de réalisation sur le dessus du support 2, et elles sont recouvertes, comme les ouvertures
d'admission des canaux, de la feuille d'obturation amovible 4.
La figure 5 décrit le processus de raccordement d'une pompe aspirante 9, qui aspire à chaque fois le mélange gazeux à analyser à travers le canal 1 surveillé par le dispositif de balayage. A la pompe aspirante 9 est relié un embout de percement mobile 10, qui est étanchéifié périphériquement par un joint élastique annulaire 6. Lors de l'avancement de l'embout de percement , la feuille d'obturation 4 est percée, et on réalise ainsi une liaison avec la pompe aspirante 9 dont le caractère hermétique est assuré par le joint
élastique annulaire 6.
Le schéma-blocs de la figure 6 représente un dispositif de balayage optoélectronique 11, qui permet un balayage de la longueur de la couche décolorée dans les différents canaux. De tels dispositifs sont connus en différentes exécutions, et ils peuvent être par exemple réalisés avec un
arrangement de diodes DEL, selon le brevet allemand DE-C 26 28 790.
Le dispositif de balayage opto-électronique enregistre par l'intermédiaire d'un lecteur de code barre un code barre associé aux canaux I qui se trouve sur le support en forme de plaque 2, et dans lequel sont codifiés le type et le nombre des différents canaux. En outre, un signalisateur de position peut être opportunément incorporé dans le dispositif de balayage opto-électronique, lequel assure que le canal respectif à mesurer, ou encore une multiplicité de canaux simultanément balayés, se trouvent en position correcte par rapport
au dispositif de balayage.
Le signal du dispositif de balayage opto-électronique 11 est transmis par l'intermédiaire d'un préamplificateur 12 dans un système de détection d'erreur 13, qui contrôle l'exactitude de l'information lue, c'est-à-dire qui
définit le signal comme valeur de mesure possible.
Les signaux transmis par le système de détection d'erreur 13 sont traités dans un microprocesseur 14 comme des valeurs de mesure, c'est-à-dire éventuellement comparés avec un indicateur de valeur de seuil allouée, et enregistrés dans une mémoire vide (mémoire RAM) 15. Un rythmeur 16
commande la mémoire vive 15 et le microprocesseur 14.
Le microprocesseur 14 commande aussi la pompe aspirante 9 et un
moteur pas à pas 17, en fonction des prescriptions du code barre du support.
La pompe aspirante 9 est reliée au canal à analyser, et branchée chaque fois brièvement pour produire le flux de gaz souhaité dans le canal 1. Une fois terminée la mesure d'un canal ou de plusieurs canaux simultanément mesurés, le moteur pas à pas 17 est mis en marche, de sorte que le support en forme de plaque 2 est amené à la position de mesure suivante, par exemple à l'aide des rouleaux de transport élastiques 7, 8 représentés à la figure 2. Si cette position de mesure est correctement atteinte, le raccordement de la pompe est à nouveau réalisé, et la pompe 9 est mise en marche. Ce processus se répète jusqu'à ce que les différents canaux du support soient mesurés. Le résultat de mesure est alors délivré dans un dispositif d'affichage 18 sous
forme d'une indication numérique.
Le microprocesseur peut aussi être opportunément relié à une mémoire morte non représentée, qui contient un modèle de vraisemblance qui est comparé aux valeurs de mesure enregistrées. Pour des mélanges gazeux de composition inconnue par exemple, sur la base des indications du support ou encore de son code barre, on peut ainsi distinguer si des combinaisons
données de canaux sont décolorées, par exemple les canaux deux et trois.
Dans ce cas, on sait que des acides forts doivent être présents dans le mélange gazeux si les canaux deux et trois sont spécifiquement sensibles aux
acides forts d'une manière générale, quelle que soit leur composition.
Dans la vue en coupe de la figure 7, le canal I est recouvert d'une couche de petites boules de verre 21, qui est enduite de l'indicateur 22 par le procédé sol-gel. Les différentes boules 21 sont collées sur -la paroi du canal
par une couche de colle 23.
Claims (20)
1. Dispositif pour mesurer la concentration de composants gazeux et/ou à l'état de vapeur d'un mélange gazeux, en utilisant des zones de réaction visuellement observables de tubes à essai de gaz qui contiennent une substance réagissant aux composants à déceler, la modification de la zone de réaction pouvant être constatée par observation directe et/ou à l'aide d'un dispositif de balayage opto-électronique, c a r a c t é r i s é en ce que la substance réactive est logée dans au moins un canal (1) qui est formé dans un support (2) et dont la section dans la zone de réaction est inférieure à 1
mm2.
2. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que
la section du canal (1) est inférieure à 10 pm2.
3. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que plusieurs canaux (1), reliés en parallèle en matière d'écoulement, sont
disposés sur le support (2).
4. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que plusieurs canaux (1) séparément raccordables sont disposés les uns à côté des
autres sur le support (2).
5. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que
le canal (1) est allongé par un itinéraire détourné.
6. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que
le canal (1) est gravé par corrosion sur un support en forme de plaque (2) .
7. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que
le canal (1) est obtenu par moulage dans un support en forme de plaque (2) .
8. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que
le canal (1) est rodé sur un support en forme de plaque (2).
9. Dispositif selon la revendication 6, 7 ou 8, c a r a c t é r i s é en
ce que le support en forme de plaque (2) est réalisé en verre.
10. Dispositif selon la revendication 7, c a r a c t é r i s é en ce que
le support en formé de plaque (2) est réalisé en céramique.
11. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le canal (1) est configuré entre un support -en forme de plaque (2) et un
revêtement de surface.
12. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le canal (1I) est configuré entre un support en forme de plaque (2) et une
plaque de recouvrement (3).
13. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce qu'une couche préalable (5) précède dans le sens d'écoulement la zone de
réaction dans le canal (1).
14. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que plusieurs canaux (1) sont disposés sur un support (2) en forme de puce électronique, qui peut être installé avec possibilité de remplacement dans un
dispositif de balayage opto-électronique (11).
15. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que plusieurs canaux (1) sont reliés à un dispositif de balayage optoélectronique (11), et en ce que les signaux de sortie obtenus par balayage des différents
canaux (1) sont fournis pour évaluation à un microprocesseur (14).
16. Dispositif selon la revendication 15, c a r a c t é r i s é en ce que le support (2) est disposé avec possibilité de déplacement par un élément de transport (7, 8) de telle sorte que les différents canaux (1) sont successivement amenés dans la région de mesure du dispositif de balayage
optoélectronique (1).
17. Dispositif selon la revendication 1i1, c a r a c t é r i s é en ce que l'évaluation est réalisée dans le microprocesseur (14) en utilisant un
modèle mémorisé de vraisemblance.
18. Dispositif selon la revendication 17, c a r a c t é r i s é en ce que les résultats de mesure des différents canaux (1) sont établis sous la forme de valeurs de seuil de saturation de couleur ou de lieu de limite de couleur dans chaque canal individuel (1), et en ce que ces valeurs de mesure
numérisées sont transmises pour évaluation au microprocesseur (14).
19. Dispositif selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le canal (1) formé sur le support (2) est, jusqu'à son utilisation, fermé par des
éléments d'obturation (4) amovibles.
20. Support à employer dans un dispositif de mesure selon la revendication 1, c a r a c t é r i s é en ce que le support (2), avec les substances réactives qui se trouvent dans plusieurs canaux, est réalisé sous la
forme d'un article à jeter.
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