FR2672996A1 - Portable and autonomous apparatus for the in situ analysis of a gaseous composition by flame spectrophotometry - Google Patents
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Abstract
Description
APPAREIL PORTATIF ET AUTONOME POUR L L'ANALYSE IN SITU
D'UNE COMPOSITION GAZEUSE PAR SPECTROPHOTOMETRIE DE
FLAMME.PORTABLE AND AUTONOMOUS APPARATUS FOR IN SITU ANALYSIS
OF A GAS COMPOSITION BY SPECTROPHOTOMETRY OF
FLAME.
La présente invention concerne un appareil portatif et autonome pour l'analyse fine d'une composition gazeuse par spectrophotométrie de flamme, par exemple du type de celui qui est décrit dans le brevet FR No 87 02762 du 2 mars 1987.The present invention relates to a portable and autonomous device for the fine analysis of a gaseous composition by flame spectrophotometry, for example of the type described in patent FR No. 87 02762 of March 2, 1987.
On sait que les appareils de ce genre font habituellement intervenir un brûleur dans lequel on provoque la combustion du flux gazeux à analyser dans un courant d'hydrogène.It is known that devices of this kind usually involve a burner in which the combustion of the gas stream to be analyzed is caused in a stream of hydrogen.
La flamme engendrée par cette combustion est alors analysée par un montage spectrophotométrique qui isole les radiations caractéristiques des éléments recherchés et qui effectue la mesure, par voie photométrique de l'intensité de ces radiations.The flame generated by this combustion is then analyzed by a spectrophotometric assembly which isolates the radiation characteristic of the elements sought and which performs the measurement, photometrically, of the intensity of this radiation.
Ce montage spectrophotométrique fait habituellement intervenir - une optique focalisatrice du rayonnement lumineux émis
par la flamme qui se développe à l'intérieur du brû
leur - un hacheur faisant intervenir une pluralité de filtres
optiques, à raison de un au moins par raie spectrale
caractéristique de l'élément recherché, ainsi que des
moyens permettant de placer successivement lesdits
filtres dans le faisceau lumineux précédemment foca
lisé - une cellule optoélectronique placée dans la zone de
focalisation de l'optique focalisatrice - un ensemble de démodulation du signal électrique déli
vré par ladite cellule, cet ensemble comprenant pour
chacune desdites raies et, en conséquence, pour chacun
desdits filtres, un démodulateur-séparateur piloté en
synchronisme avec le hacheur, de manière à n'hêtre rendu
actif que lorsque le faisceau lumineux issu de
l'optique focalisatrice traverse un filtre correspon
dant ; et - des moyens d'amplification et d'affichage du signal
électrique délivré par lesdits démodulateurs-sépara
teurs.This spectrophotometric arrangement usually involves - an optic focusing the emitted light radiation
by the flame that develops inside the burner
their - a chopper involving a plurality of filters
optical, at least one per spectral line
characteristic of the element sought, as well as
means for successively placing said
filters in the previously foca light beam
read - an optoelectronic cell placed in the area of
focusing focusing optics - a set of demodulation of the deli electrical signal
vré by said cell, this set comprising for
each of said lines and, therefore, for each
said filters, a demodulator-separator controlled by
synchronization with the chopper, so as not to be rendered
active only when the light beam from
the focusing optics pass through a corresponding filter
dant; and - signal amplification and display means
electric delivered by said demodulators-separated
teurs.
Jusqu'ici, la cellule optoélectronique utilisée consistait en une photodiode qui, en raison de ses dimensions et de sa facilité d'intégration dans un circuit électronique miniaturisé, faible consommateur d'énergie, paraissait constituer la solution idéale dans un appareil portatif autonome.Until now, the optoelectronic cell used consisted of a photodiode which, because of its dimensions and its ease of integration in a miniaturized electronic circuit, low energy consumer, seemed to constitute the ideal solution in an autonomous portable device.
Toutefois, il s'avère que cette solution présente des graves inconvénients principalement dû au niveau du signal détecté et au bruit relativement élevé qui entache ce signal, et qui affecte, en conséquence, la sensibilité de l'appareil. However, it turns out that this solution has serious drawbacks mainly due to the level of the detected signal and the relatively high noise which taints this signal, and which consequently affects the sensitivity of the device.
Par ailleurs, la photodiode est sujette à des bruits, de sorte qu'il convient de la refroidir notamment au moyen d'un système d'asservissement utilisant des cellules à effet Peltier.Furthermore, the photodiode is subject to noise, so that it should be cooled in particular by means of a servo system using Peltier cells.
L'invention a plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients de manière à augmenter la sensibilité de l'appareil sans en réduire l'encombrement, le poids ainsi que l'autonomie.The invention more particularly aims to eliminate these drawbacks so as to increase the sensitivity of the device without reducing its size, weight and autonomy.
A cet effet, elle propose d'utiliser, au lieu de photodiodes, des tubes photomultiplicateurs, et ce, en dépit des préjugés qui, jusqu'ici, avaient fait rejeter cette solution.To this end, it proposes to use, instead of photodiodes, photomultiplier tubes, and this, despite the prejudices which, until now, had rejected this solution.
En effet, jusqu'ici, les photomultiplicateurs étaient relativement volumineux et surtout exigeaient des circuits d'alimentation THT (très haute tension allant audelà de 1000 V) lourds et volumineux, et de consommation peu compatible avec le but recherché.Indeed, until now, the photomultipliers were relatively bulky and above all required THT supply circuits (very high voltage going beyond 1000 V) heavy and bulky, and consumption hardly compatible with the desired goal.
Pour parvenir à surmonter ces problèmes et donc ce préjugé, l'invention propose un appareil du type susdit, caractérisé en ce qu'il comprend, en tant que cellule optoélectronique, un tube photomultiplicateur miniature du type comprenant une cathode, une anode et une multiplicité de dynodes destinées à être portées à un potentiel s'étageant entre celui de la cathode et celui de l'anode, un multiplieur de tension comprenant, en série, autant d'étages de multiplication de tension qu'il y a de dynodes, chaque étage comprenant au moins deux diodes et deux condensateurs agencés selon le montage bien connu de
Schenkel, et étant connecté à une dynode correspondante, et un générateur d'impulsions à relativement haute fréquence qui alimente le multiplicateur de tension. To overcome these problems and therefore this prejudice, the invention provides an apparatus of the above type, characterized in that it comprises, as an optoelectronic cell, a miniature photomultiplier tube of the type comprising a cathode, an anode and a multiplicity dynodes intended to be brought to a potential ranging between that of the cathode and that of the anode, a voltage multiplier comprising, in series, as many stages of voltage multiplication as there are dynodes, each stage comprising at least two diodes and two capacitors arranged according to the well-known arrangement of
Schenkel, and being connected to a corresponding dynode, and a relatively high frequency pulse generator which supplies the voltage multiplier.
Une telle solution permet d'aboutir au résultat recherché, et ce, contrairement aux préjugés, grâce au fait que - il est désormais possible d'acquérir des photomultipli
cateurs de dimensions très réduites, et que - le générateur d'impulsions haute tension est réglé à
une fréquence telle qu'il est possible de n'utiliser
dans le multiplieur de tension des condensateurs de
dimensions et de valeurs très réduites réalisés en
technologie CMS.Such a solution makes it possible to achieve the desired result, and this, contrary to prejudice, thanks to the fact that - it is now possible to acquire photomultipli
very small dimensions, and - the high voltage pulse generator is set to
a frequency such that it is possible not to use
in the capacitor voltage multiplier of
very small dimensions and values achieved in
CMS technology.
Avantageusement, la fréquence du générateur d'impulsions et/ou l'amplitude des impulsions délivrées par ce générateur d'impulsions pourront être réglées en fonction de l'écart entre la tension obtenue sur l'une des sorties du multiplieur de tension et une tension de consigne.Advantageously, the frequency of the pulse generator and / or the amplitude of the pulses delivered by this pulse generator can be adjusted as a function of the difference between the voltage obtained on one of the outputs of the voltage multiplier and a voltage setpoint.
Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 est un schéma montrant la partie
optoélectronique d'un appareil d'analyse par
spectrophotométrie de flamme
La figure 2 est un diagramme montrant la ten
sion et l'intensité au point P du circuit
représenté sur la figure 1.An embodiment of the invention will be described below, by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings in which
Figure 1 is a diagram showing the part
optoelectronics of an analysis device by
flame spectrophotometry
Figure 2 is a diagram showing the ten
sion and current at point P of the circuit
shown in Figure 1.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le bloc 1 correspond à l'ensemble des dispositifs permettant de produire à l'intérieur d'un brûleur 2 une flamme résultant de la combustion du gaz à analyser dans un courant d'hydrogène à débit constant. Ces dispositifs qui ne constituent pas l'objet de l'invention, peuvent par exemple consister en ceux qui se trouvent décrits dans le brevet FR No 87 02762 précité.In the example shown in FIG. 1, block 1 corresponds to all of the devices making it possible to produce inside a burner 2 a flame resulting from the combustion of the gas to be analyzed in a stream of hydrogen at flow rate. constant. These devices which do not constitute the object of the invention, can for example consist of those which are described in patent FR No. 87 02762 cited above.
Le rayonnement lumineux produit par la flamme est détecté par un tube photomultiplicateur 3, par l'intermédiaire d'un système optique comprenant successivement - un objectif 4 qui projette à l'infini l'image de la
flamme, - un dispositif 5 de hachage et de filtrage sélectif du
rayonnement issu de l'objectif 4 (ce dispositif peut
comprendre une pluralité de filtres optiques, à raison
d'au moins un par raie spectrale recherchée, qui sont
successivement placés dans le faisceau lumineux produit
par le dispositif optique de traitement), - une optique focalisatrice 6 qui focalise le rayonnement
issu du dispositif de hachage 5 sur l'anode 7 du photo
multiplicateur 3.The light radiation produced by the flame is detected by a photomultiplier tube 3, by means of an optical system comprising successively - a lens 4 which projects the image of the image to infinity.
flame, - a device 5 for chopping and selective filtering of the
radiation from objective 4 (this device can
include a plurality of optical filters, rightly
at least one per spectral line sought, which are
successively placed in the light beam produced
by the optical processing device), - a focusing optic 6 which focuses the radiation
from the chopping device 5 on the anode 7 of the photo
multiplier 3.
Outre l'anode 7, le photomultiplicateur 3 comprend une cathode 8 ainsi qu'une multiplicité de dynodes D1 à Dg (ici au nombre de 9) destinées à être portées à un potentiel s'échelonnant depuis l'anode 7 jusqu'à la cathode 8 de 100 volts en 100 volts, le potentiel anode/cathode étant de 1000 volts.In addition to the anode 7, the photomultiplier 3 comprises a cathode 8 as well as a multiplicity of dynodes D1 to Dg (here 9 in number) intended to be brought to a potential ranging from anode 7 to the cathode 8 from 100 volts to 100 volts, the anode / cathode potential being 1000 volts.
L'alimentation du photomultiplicateur 3 est assurée au moyen d'un multiplieur de tension 11 utilisant dix étages dont chacun comprend deux diodes V1, V2 et deux condensateurs C1, C2 montés en doubleur de tension selon le montage bien connu de Schenkel. Chacun de ces étages est connecté par sa sortie 12 à une dynode D1...Dg. The photomultiplier 3 is supplied by a voltage multiplier 11 using ten stages, each of which comprises two diodes V1, V2 and two capacitors C1, C2 mounted as a voltage doubler according to the well-known Schenkel assembly. Each of these stages is connected by its output 12 to a dynode D1 ... Dg.
Sur l'entrée E1 du multiplieur de tension 11 est appliquée une tension impulsionnaire engendrée par un générateur d'impulsions 13 comportant - un premier transistor T1 dont la jonction émetteur-col
lecteur est montée entre un conducteur d'alimentation
en tension continue 14 (5 volts) et un conducteur de
masse 15 par l'intermédiaire d'une inductance L1
(montée dans le circuit collecteur) et d'une résistance
R1 (montée dans le circuit émetteur) l'émetteur de ce
transistor T1 étant connecté à l'entrée E1 du multi
plieur de tension 11 ;; - un deuxième transistor T2 dont la jonction émet
teur/collecteur est montée entre les conducteurs 14 et
15 par l'intermédiaire d'une résistance et dont la base
est connectée à l'émetteur du transistor par
l'intermédiaire d'une résistance Rg, le collecteur de
ce transistor T2 étant directement relié à la base du
transistor T1 ; et - un circuit d'asservissement comprenant un pont diviseur
de tension R3, R4 monté entre le collecteur du transis
tor Tl et la sortie d'un soustracteur 16 dont la pre
mière entrée est connectée à la sortie 12 du deuxième
étage du multiplicateur de tension, et qui reçoit, sur
sa deuxième entrée, une tension de consigne V.On the input E1 of the voltage multiplier 11 is applied a pulse voltage generated by a pulse generator 13 comprising - a first transistor T1 whose emitter-neck junction
drive is mounted between a power conductor
in direct voltage 14 (5 volts) and a conductor
ground 15 via an inductor L1
(mounted in the collector circuit) and a resistor
R1 (mounted in the transmitter circuit) the transmitter of this
transistor T1 being connected to input E1 of the multi
tension folder 11 ;; - a second transistor T2 whose junction emits
header / collector is mounted between the conductors 14 and
15 through a resistor and whose base
is connected to the emitter of the transistor by
via a resistor Rg, the collector of
this transistor T2 being directly connected to the base of the
transistor T1; and - a control circuit comprising a divider bridge
voltage R3, R4 mounted between the transis collector
tor Tl and the output of a subtractor 16, the pre
first input is connected to output 12 of the second
stage of the voltage multiplier, and which receives, on
its second input, a setpoint voltage V.
Le fonctionnement de ce générateur d'impulsions sera expliqué ci-après en référence avec les diagrammes de tension et d'intensité représentés sur la figure 2.The operation of this pulse generator will be explained below with reference to the voltage and current diagrams shown in Figure 2.
Lorsque le transistor T1 devient passant, l'intensité du courant circulant dans la branche L1, T1, R1 croit linéairement (courbe C1) jusqu'à ce que la tension aux bornes de la résistance R1 atteigne une valeur de seuil déterminée Is qui provoque la mise en conduction du transistor T2, grâce à la liaison effectuée par la résistance R5 entre la base du transistor T2 et l'émetteur du transistor Tl. When the transistor T1 turns on, the intensity of the current flowing in the branch L1, T1, R1 increases linearly (curve C1) until the voltage across the resistor R1 reaches a determined threshold value Is which causes the switching on of transistor T2, thanks to the connection made by resistor R5 between the base of transistor T2 and the emitter of transistor Tl.
L'entrée en conduction du transistor T2 provoque la mise à la masse de la base du transistor T1 et donc un blocage de ce dernier.The entry in conduction of the transistor T2 causes the base of the transistor T1 to be grounded and therefore to block the latter.
L'énergie accumulée par l'inductance L1 au cours de la phase de conduction du transistor TI est alors restituée au multiplieur de tension 11, sous la forme d'une impulsion (courbe C2) dont l'amplitude atteint une centaine de volts.The energy accumulated by the inductor L1 during the conduction phase of the transistor TI is then restored to the voltage multiplier 11, in the form of a pulse (curve C2) whose amplitude reaches a hundred volts.
Le seuil de tension (image du courant circulant dans R1) qui provoque la mise en conduction du transistor T2 est réglé en fonction de l'écart entre la tension prélevée à la sortie du deuxième étage du multiplieur de tension 11 et de la tension de consigne V de manière à obtenir des tensions de sortie du multiplicateur 11 exactement aux valeurs souhaitées.The voltage threshold (image of the current flowing in R1) which causes the transistor T2 to turn on is adjusted as a function of the difference between the voltage drawn at the output of the second stage of the voltage multiplier 11 and the setpoint voltage V so as to obtain output voltages from the multiplier 11 exactly at the desired values.
Le circuit du générateur d'impulsions 13 est conçu de manière à engendrer ces impulsions à une fréquence relativement élevée, de l'ordre de 10 à 50 KHz avec des harmoniques pouvant s'élever de 100 KHz à 1 MHz.The circuit of the pulse generator 13 is designed so as to generate these pulses at a relatively high frequency, of the order of 10 to 50 KHz with harmonics which can rise from 100 KHz to 1 MHz.
Comme précédemment mentionné, cette fréquence élevée permet l'utilisation, dans le multiplicateur de tension 11, de condensateurs de très petites dimensions, réalisés selon la technologie CMS. Grâce à cette disposition, il devient possible de loger l'ensemble générateur d'impulsion, multiplicateur de tension 11, dans un volume parallélépipédique par exemple de 11 x 12 x 26 mm.As previously mentioned, this high frequency allows the use, in the voltage multiplier 11, of very small capacitors, produced according to CMS technology. Thanks to this arrangement, it becomes possible to accommodate the pulse generator, voltage multiplier 11 assembly, in a parallelepiped volume for example of 11 × 12 × 26 mm.
Il s'agit là d'un résultat surprenant si l'on s'en tient aux montages classiques qui, pour obtenir des tensions étagées allant jusqu'à 1000 volts, font nécessairement intervenir des composants encombrants et lourds tels que, par exemple, des transformateurs et des condensateurs haute tension. This is a surprising result if we stick to conventional assemblies which, to obtain stepped voltages up to 1000 volts, necessarily involve bulky and heavy components such as, for example, high voltage transformers and capacitors.
Dans cet exemple, le signal émis en sortie du photomultiplicateur 3 est transmis par un câble coaxial 17 à une carte de traitement 18 pouvant comprendre, comme dans le dispositif décrit dans le brevet FR No 87 02762 précité - un ensemble de démodulations comprenant, pour chacune
des raies spectrales recherchées, un démodulateur et un
filtre approprié, - un dispositif de décodage permettant d'affecter à
chaque couple démodulateur/filtre un signal correspon
dant délivré par le photomultiplicateur, - un dispositif d'affichage.In this example, the signal emitted at the output of the photomultiplier 3 is transmitted by a coaxial cable 17 to a processing card 18 which can comprise, as in the device described in the aforementioned patent FR No. 87 02762 - a set of demodulations comprising, for each
spectral lines sought, a demodulator and a
appropriate filter, - a decoding device making it possible to assign to
each demodulator / filter pair a corresponding signal
dant delivered by the photomultiplier, - a display device.
Ce circuit de traitement, qui ne constitue pas l'objet du brevet, n'a donc pas été décrit.This processing circuit, which is not the subject of the patent, has therefore not been described.
Dans cet exemple, les liaisons entre la carte de traitement 18 et l'ensemble générateur d'impulsions 13, multiplicateur de tension 11, photomultiplicateur 3, sont assurées par un connecteur 19 permettant d'effectuer les connexions à la carte 18 - de la ligne d'alimentation 5 V continue, 10 mA typique, - de l'anode du photomultiplicateur, - de la masse, - de la liaison d'asservissement avec la sortie du
deuxième étage du multiplieur de tension 11, - du conducteur assurant la transmission du signal
d'erreur servant au réglage du seuil, - du conducteur de masse 15.In this example, the connections between the processing card 18 and the pulse generator 13, voltage multiplier 11, photomultiplier 3 assembly are provided by a connector 19 allowing connections to be made to the card 18 - of the line 5 V DC supply, 10 mA typical, - from the photomultiplier anode, - from the ground, - from the servo link with the output of the
second stage of the voltage multiplier 11, - of the conductor ensuring the signal transmission
error used to set the threshold, - of the earth conductor 15.
Outre les avantages précédemment mentionnés, l'invention permet d'augmenter considérablement la sensibilité de l'appareil avec une consommation énergétique réduite. In addition to the advantages mentioned above, the invention makes it possible to considerably increase the sensitivity of the device with reduced energy consumption.
Claims (6)
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Also Published As
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