FR2712087A1 - Dispositif de détection de vapeurs d'acide et en particulier de vapeurs d'acide fluorhydrique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour la détection de vapeurs d'acide contenues dans un milieu gazeux à contrôler, comportant un détecteur contenant un matériau colorimétrique. Ce dispositif comprend une structure mécanique (35) renfermant une chambre de mesure (2) étanche contenant le détecteur (8), la structure mécanique étant pourvue de conduits d'accès (3, 4) à la chambre de mesure (2) pour faire circuler sur le détecteur un flux prélevé dans le milieu gazeux et comprenant des moyens d'émission (24) d'un faisceau lumineux incident vers le détecteur et des moyens (25) pour capter le faisceau lumineux réfléchi par le détecteur et pour détecter le changement de couleur du matériau colorimétrique en délivrant un signal électrique représentatif, la chambre de mesure (2) étant équipée de hublots (11, 13) résistant aux vapeurs d'acide pour le passage des faisceaux lumineux incident et réfléchi.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION DE VAPEURS D'ACIDE
ET EN PARTICULIER DE VAPEURS D'ACIDE FLUORHYDRIQUE
La présente invention concerne un dispositif de détection de vapeurs d'acide et en particulier de vapeurs d'acide fluorhydrique. Ce dispositif permet de signaler rapidement la présence d'une faible concentration de vapeurs d'acide dans des enceintes ou installations. Moyennant quelques petites adaptations, il peut être utilisé pour détecter des vapeurs d'acides dans les locaux où la température peut atteindre 1200C.

Bien que l'invention puisse être utilisée pour déceler des vapeurs d'acide tel que l'acide nitrique, l'acide chlorhydrique, elle est particulièrement intéressante pour signaler rapidement la présence de vapeurs d'acide fluorhydrique. On peut alors avantageusement l'utiliser dans les industries chimiques et nucléaires.

Dans l'industrie nucléaire, on utilise l'hexafluorure d'uranium UF6 pour enrichir de l'uranium.

La méthode d'enrichissement la plus intéressante d'un point de vue industriel est celle de la diffusion gazeuse d'UF6 qui est un composé gazeux et stable à des températures proches de la température ambiante.

Ce gaz est très agressif et réagit avec tous les composés hydrogénés et en premier lieu l'eau au contact duquel il se dégage de l'acide fluorhydrique, encore plus corrosif que UF6. L'émanation de vapeurs d'acide fluorhydrique est très dangereux pour le personnel et les installations et doit donc être particulièrement surveillée.

I1 existe un certain nombre de dispositifs permettant la détection de vapeurs d'acide fluorhydrique. Ces dispositifs connus sont du type cellule électrochimique, à papier pH, tube colorimétrique ou système chimico-ionique.

Tous ces dispositifs connus fonctionnent à basses températures, c'est-à-dire à des températures inférieures à 50 C et généralement comprises entre 0 et 400C. En outre, leur coût de fabrication est très élevé.

Aussi, l'invention a pour objet un nouveau dispositif de détection de vapeurs d'acide fluorhydrique permettant notamment de remédier à ces inconvénients.

Ce dispositif permet, moyennant quelques adaptations, la détection dans des enceintes thermostatées où la température est de l'ordre de 1200C et son coût de fabrication est beaucoup plus faible que celui des dispositifs de l'art antérieur. En outre, il présente une sensibilité comparable à celle des dispositifs connus.

Selon l'invention, la détection de vapeurs d'acide se fait grâce à une pastille de poudres comprimées formée d'une première poudre d'un matériau colorimétrique réversible capable de changer de couleur en présence de vapeurs d'acide et d'une seconde poudre inattaquable par les vapeurs d'acide, cette seconde poudre servant de liant aux grains de la première poudre. Dans le cas de la détection de vapeurs d'acide fluorhydrique, cette seconde poudre doit être inattaquable par les vapeurs d'acide fluorhydrique et de dérivés fluorés.

Comme matériau à changement de couleur réversible apte à être mis sous forme de poudre, on peut citer le méthylorange, le jaune de méthyle et le jaune de méthanyle. De préférence, on utilise le jaune de méthanyle plus réactif que les deux autres matériaux colorimétriques ; c'est un composé de formule générale C18H14N3NaSO3 comportant trois noyaux benzéniques liés entre eux par des atomes d'azote.

Le changement de couleur de la pastille colorimétrique est décelé par un ensemble optique de détection associé à un dispositif électronique de traitement qui génère des signaux pouvant déclencher des alarmes sonores ou visuelles en fonction des niveaux de concentration de vapeurs d'acide détectées.

Le dispositif de détection doit être conçu pour résister à l'agressivité des vapeurs d'acides à détecter et aux autres émanations pouvant se produire simultanément. I1 doit permettre de déceler des taux de quelques parties de gaz par million en un bref délai (par exemple moins d'une minute). En outre, ses réponses doivent être parfaitement reproductibles.

Pour ces raisons, les inventeurs de la présente invention ont conçu un dispositif de détection original, capable d'effectuer des prélèvements gazeux du milieu à contrôler, de faire passer ces prélèvements sur la pastille détectrice et de contrôler optiquement cette pastille dans les meilleures conditions possibles.

L'invention a donc pour objet un dispositif pour la détection de vapeurs d'acide contenues dans un milieu gazeux à contrôler, comportant un détecteur contenant un matériau colorimétrique, caractérisé en ce qu'il comprend une structure mécanique renfermant une chambre de mesure étanche contenant ledit détecteur sous la forme d'une pastille, la structure mécanique étant pourvue de moyens d'accès à la chambre de mesure pour faire circuler sur le détecteur un flux prélevé dans le milieu gazeux et comprenant des moyens d'émission d'un faisceau lumineux incident vers le détecteur et des moyens pour capter le faisceau lumineux réfléchi par le détecteur et pour détecter le changement de couleur du matériau colorimétrique en délivrant un signal électrique représentatif, la chambre de mesure étant équipée de hublots résistant aux vapeurs d'acide pour le passage des faisceaux lumineux incident et réfléchi.

La structure mécanique peut être pourvue d'un conduit dont l'intérieur est poli miroir pour constituer un guide de lumière permettant de véhiculer le faisceau lumineux incident depuis lesdits moyens d'émission jusqu'à la chambre de mesure.

La chambre de mesure peut alors comporter une paroi inclinée par rapport au conduit véhiculant le faisceau lumineux incident, cette paroi étant polie miroir pour concentrer sur le détecteur le faisceau incident.

D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 représente de manière schématique le principe d'un dispositif de détection de vapeurs d'acide selon l'invention,
- la figure 2 est une vue selon la coupe II-II de la figure 3, d'une structure mécanique utilisée dans le dispositif de détection selon l'invention,
- la figure 3 est une vue, selon la coupe 111-111 de la figure 2, d'un élément d'une structure mécanique utilisable dans le dispositif de détection selon l'invention.

- la figure 4 est une vue du dispositif selon l'invention monté dans une enceinte étanche dont la porte a été ouverte.

En référence à la figure 1, le dispositif de détection comporte une pastille P d'environ 25 mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur, composée d'un mélange de 50% en volume de poudre de jaune de méthanyle, qui constitue la partie réactive de la pastille, et de 50% en volume de poudre de cellulose microgranulaire servant de liant. Le mélange des deux poudres a été compressé à froid sous une force de 10 tonnes pour obtenir la pastille.

En présence de vapeurs d'acide, par exemple de vapeurs d'acide fluorhydrique, le jaune de méthanyle passe du jaune au marron par fixation de deux atomes d'hydrogène sur les deux atomes d'azote adjacents.

Lorsque les vapeurs d'acide piégées sur la pastille descendent en dessous d'une certaine valeur (désorption de la pastille), le jaune de méthanyle reprend sa couleur initiale.

La pastille P est supportée par un support
S, fabriqué dans un produit inattaquable par les vapeurs d'acide fluorhydrique ainsi que par les vapeurs de dérivés fluorés. Ce support S peut être réalisé en polytétrafluoréthylène (PTFE), en fluoréthylène propylène (FEP), en polychlorotrifluoréthylène (PCTFE) ou en alliage d'aluminium et de magnésium (AG3) anodisé noir. Cet ensemble de détection pastille-support est susceptible de détecter en une minute la présence de vapeurs d'acide fluorhydrique.

Pour assurer la visualisation du changement de couleur de la pastille P, une source lumineuse LED alimentée par une source d'alimentation électrique continue de 5 V est placée de façon à éclairer la pastille P. Cette source LED est en particulier une diode électroluminescente.

La lumière colorée issue de la pastille P est reçue par un convertisseur lumière-fréquence C équipé d'une photodiode D en silicium de 4 mm2 environ.

Afin de limiter l'incidence de la lumière ambiante sur le convertisseur ainsi que celle de la source lumineuse LED, le système opto-électronique est rendu étanche à la lumière ambiante grâce à un couvercle ou bouchon en alliage d'aluminium et de magnésium (AG3) anodisé noir.

La photodiode D délivre un signal électrique qui est numérisé par le convertisseur lumière-fréquence
C. Les impulsions sortant de ce convertisseur sont ensuite comptées par le compteur CT et déclenchent les deux seuils des alarmes sonore S et visuelle V préétablis grâce au circuit G de gestion des alarmes.

Des essais en température de la pastille P ont permis de montrer sa bonne tenue en température.

Ainsi, la pastille P, après action d'une température de 1200C pendant un mois, n'a montré aucune modification du signal colorimétrique, ni dégradation physique.

On va maintenant décrire, en se référant aux figures 2 et 3, une structure mécanique utilisable dans le dispositif de détection selon l'invention.

Cette structure est de forme généralement cylindrique.

Elle est réalisée dans un métal tendre, par exemple un alliage d'aluminium et de magnésium du type AG3, inattaquable à l'acide fluorhydrique.

La structure comporte un corps 1 dont la face inférieure constitue une paroi de la chambre de mesure 2. Le corps 1 comporte des conduits 3 et 4, formés chacun de deux trous orthogonaux communicants, destinés au passage du flux gazeux prélevé. Ces conduits sont pour cela connectés à des tuyaux d'amenée et d'évacuation du flux gazeux, tel le tuyau 5.

Le corps 1 est fixé par des vis 6 sur une pièce 7 percée de part en part d'un trou tronconique, le corps 1 fermant la grande base du trou tronconique.

La petite base du trou tronconique se trouve en regard de la pastille de détection 8. Celle-ci est supportée par un porte-détecteur 9 fabriqué dans un produit inattaquable par les vapeurs d'acide à surveiller, par exemple le polytétrafluoroéthylène (PTFE) chargé de carbone à 25% en poids. Ceci évite les réflexions optiques parasites. La pièce 7 est en alliage anodisé noir à l'exception du trou qui est poli miroir.

Le corps 1 comporte un guide de lumière 10 constitué par un conduit percé selon toute la hauteur du corps et dont l'intérieur est poli miroir. Ce guide de lumière 10 débouche en vis-à-vis de la paroi inclinée constituée par le tronc de cône de la pièce 7.

L'interface entre le guide de lumière 10 et la chambre de mesure 2 est constituée par une rondelle d'étanchéité 11 en polycarbonate, transparente au faisceau lumineux véhiculé par le guide de lumière 10.

Le corps 1 comporte un autre guide de lumière constitué par le conduit axial 12 percé selon toute la hauteur du corps et dont l'intérieur est poli miroir.

Ce guide de lumière 12 débouche dans la chambre de mesure 2 en vis-à-vis de la pastille de détection 8.

L'interface entre le guide de lumière 12 et la chambre de mesure 2 est constituée par une rondelle d'étanchéité 13 en polycarbonate, transparente au faisceau lumineux véhiculé par le guide de lumière 12.

La pastille de détection 8 est encastrée sur une partie de sa périphérie dans une encoche 14 de la face supérieure du porte-détecteur 9. Un doigt d'indexage rétractable 15, vissé dans le porte-détecteur 9, permet de maintenir en position la pastille 8. Le porte-détecteur 9 est fixé sur la pièce 7 par trois vis 16 dont une seule est représentée. Des entretoises 17 en PTFE chargé de carbone permettent de conserver une certaine distance entre la pastille 8 et la pièce 7. Un couvercle ou bouchon 18, en alliage d'aluminium et de magnésium anodisé noir, est vissé sur le porte-détecteur 9 jusqu'au contact avec la pièce 7.

Un joint plat 19 en caoutchouc synthétique, par exemple en copolymère de fluorure de vinylidène et d'hexafluoropropylène (nom commercial Viton@), disposé entre la pièce 7 et le bouchon 18, assure l'étanchéité de ce côté de la structure mécanique.

La face supérieure du corps 1 supporte un circuit imprimé 20 fixé à une certaine distance du corps 1 par quatre ensembles de fixation dont un seul est représenté. Cet ensemble de fixation représenté comporte un goujon 21 vissé dans le corps 1 et muni d'une entretoise 22 et un contre-écrou 23 en inox.

Le goujon 21 est en inox et sa surface a été brunie.

Le circuit imprimé supporte, en vis-à-vis du conduit 10, une diode électroluminescente 24 et, en vis-à-vis du conduit 12, une photodiode 25. Un joint plat 26, de même nature que le joint 19, est disposé sur la face supérieure du corps 1. I1 est recouvert d'une plaque 27 en alliage aluminium-magnésium anodisé noir pour éviter les réflexions optiques parasites.

Un capot de protection 28 en alliage aluminium-magnésium anodisé noir recouvre la partie supérieure du corps 1 en enfermant le circuit imprimé 20. I1 est maintenu par des écrous borgnes 29 en inox serrés sur les goujons 21. Le capot comporte un trou central 30 pour le passage d'un câble électrique de raccordement aux circuits extérieurs à la structure mécanique.

La diode électroluminescente 24 émet un faisceau lumineux de 555 nm de longueur d'onde. Ce faisceau émis est guidé par le conduit poli 10. La paroi tronconique de la pièce 7 constitue un réflecteur de lumière poli miroir qui concentre le faisceau lumineux sur la pastille de détection 8. La lumière réfléchie est récupérée par le conduit central 12 également poli miroir puis quantifiée numériquement par le capteur optique.

A la figure 4, on reconnaît la structure mécanique, portant la référence générale 35, fixée par des vis vissées dans les trous filetés 31 du corps 1 (voir la figure 3) à la porte 36 de l'enceinte 37.

Des joints d'étanchéitié sont prévus pour rendre l'enceinte 37 étanche lorsque la porte 36 est fermée.

L'enceinte, de forme parallélépipédique permet le logement d'une pompe 38 de prélèvement du flux gazeux, d'une électronique de traitement 39, d'une batterie électrique 40 lorsque l'on désire que le dispositif fonctionne de manière autonome et d'un circuit d'alimentation électrique 41 pour un fonctionnement sous secteur. Le circuit 41 permet d'alimenter les circuits de l'électronique de traitement et de recharger la batterie 40.

A l'intérieur de l'enceinte 37 on trouve encore des tuyaux permettant la circulation du gaz prélevé.

Le tuyau 45 relie le raccord 51 fixé sur la porte 36 à l'entrée du circuit de gaz de la structure mécanique 35. Le tuyau 46 relie la sortie du circuit de gaz de la structure mécanique 35 à l'aspiration de la pompe 38. Le tuyau 47 relie le refoulement de la pompe 38 à un raccord 52 fixé sur la porte 36. On remarque aussi le câble électrique 55 reliant le circuit imprimé contenu dans la structure mécanique aux circuits électroniques de l'enceinte 37.

Les circuits électroniques de l'enceinte peuvent se décomposer en trois ensembles ou cartes une carte tête de détection, une carte de comptage de gestion des alarmes et défauts et une carte alimentation.

La carte tête de détection comporte un circuit
Hewlett Packard TSL 220, équipé d'un capteur de lumière de 4 mm2 de surface, qui permet de convertir les informations lumineuses issues de la pastille de détection en impulsions mises en forme par un transistor
VMOS type VN89AF. La pastille est éclairée par une diode électroluminescente (555 nm) de luminosité réglable par un potentiomètre. La carte est alimentée sous une tension de 5 V issue de la carte alimentation.

La carte de comptage et de gestion des alarmes et défauts est architecturée autour d'une base de temps (oscillateur programmable type SPG 8650). Les créneaux générés (état 0 pendant une seconde et état 1 pendant une seconde) permettent le comptage (à l'état 0) des impulsions issues de la tête de détection et (à l'état 1) la remise à zéro des compteurs. Des roues codeuses permettent l'activation de circuits ET qui déterminent les alarmes qui sont enclenchées par des bascules.

La carte alimentation comporte des circuits de redressement et filtrage pour fournir des tensions d'alimentation régulées dont une tension de 13,8 V destinée à la carte comptage. Elle fournit également la tension de recharge de la batterie et la tension de 5 V destinée à la carte tête de détection.

Le fonctionnement du dispositif peut s'effectuer de la façon suivante. La pompe de prélèvement effectue des échantillonnages pendant 10 s toutes les 25 s. Le volume prélevé pour chaque échantillon est de 35 litres. Cet échantillon traverse la chambre de mesure et lèche la pastille réactive qui change de couleur en présence de gaz acides. Le changement de couleur est décelé par une électronique de comptage qui, en fonction des seuils fixés par les roues codeuses, déclenche les alarmes correspondantes.

La pastille réactive produit 95 impulsions par seconde quand elle est vierge. En présence de gaz acides (à saturation) elle ne produit plus que 20 impulsions par seconde. Si le comptage devient inférieur au seuil bas (réglé par exemple à 15 impulsions par seconde), l'électronique de gestion indique une anomalie de fonctionnement en déclenchant une alarme sonore et lumineuse. Si le comptage est supérieur au seuil haut (réglé par exemple à 98 impulsions par seconde), l'électronique de gestion empêche la pompe d'effectuer des prélèvements. Le dispositif reste dans cet état tant que le défaut n'est pas éliminé (par exemple pastille non conforme, chambre de prélèvement ouverte, défaut électronique).

En fonctionnement sur batterie interne, l'autonomie du dispositif peut être supérieure à 8 heures. Quand la batterie est déchargée, une alarme sonore et visuelle se déclenche. Pour éviter une décharge complète de la batterie, un système de sécurité peut être prévu pour mettre le dispositif hors fonction.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour la détection de vapeurs d'acide contenues dans un milieu gazeux à contrôler, comportant un détecteur contenant un matériau colorimétrique, caractérisé en ce qu'il comprend une structure mécanique (35) renfermant une chambre de mesure (2) étanche contenant ledit détecteur sous la forme d'une pastille (8), la structure mécanique étant pourvue de moyens d'accès (3, 4) à la chambre de mesure (2) pour faire circuler sur le détecteur un flux prélevé dans le milieu gazeux et comprenant des moyens d'émission (24) d'un faisceau lumineux incident vers le détecteur et des moyens (25) pour capter le faisceau lumineux réfléchi par le détecteur et pour détecter le changement de couleur du matériau colorimétrique en délivrant un signal électrique représentatif, la chambre de mesure (2) étant équipée de hublots (11, 13) résistant aux vapeurs d'acide pour le passage des faisceaux lumineux incident et réfléchi.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'accès à la chambre de mesure (2) comprennent des conduits (3, 4) percés dans la structure mécanique.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le détecteur (8) est supporté par un porte-détecteur (9) démontable du reste de la structure mécanique.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure mécanique est pourvue d'un conduit (10) dont l'intérieur est poli miroir pour constituer un guide de lumière permettant de véhiculer le faisceau lumineux incident depuis lesdits moyens d'émission (24) jusqu'à la chambre de mesure (2).

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre de mesure (2) comporte une paroi inclinée par rapport au conduit véhiculant le faisceau lumineux incident, cette paroi étant polie miroir pour concentrer sur le détecteur le faisceau incident.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la structure mécanique est pourvue d'un conduit (12) dont l'intérieur est poli miroir pour constituer un guide de lumière permettant de véhiculer le faisceau lumineux réfléchi depuis la chambre de mesure (2) jusqu'aux moyens (25) de captation et de détection du changement de couleur.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la structure mécanique supporte un circuit imprimé (20) sur lequel sont montées une diode électroluminescente (24) constituant les moyens d'émission du faisceau lumineux et une photodiode (25) constituant les moyens de captation et de détection du changement de couleur.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les hublots (11, 13) sont en polycarbonate.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la structure mécanique (35) est en alliage d'aluminium et de magnésium.

10. Dispositif selon les revendications 1 à 7 prises ensemble, caractérisé en ce que la chambre de mesure (2) est délimitée par l'espace intérieur résultant de l'assemblage de trois éléments de la structure mécanique

- une pièce (7) percée de part en part par un trou tronconique ayant une petite base et une grande base,

- un corps (1) dont une face ferme la grande base et dans laquelle débouchent les conduits (3, 4) permettant la circulation du flux gazeux prélevé et, via les hublots (11, 13), les conduits (10, 12) véhiculant les faisceaux lumineux incident et réfléchi, une autre face du corps supportant le circuit imprimé (20),

- un porte-détecteur (9) supportant le détecteur (8) et fermant la petite base du trou tronconique.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure mécanique (35) est disposée à l'intérieur d'une enceinte étanche (37) renfermant également une pompe (38) connectée à la structure mécanique et au milieu gazeux pour assurer le prélèvement du flux gazeux, une électronique de traitement (39) dudit signal électrique représentatif reliée à des moyens d'alarme, le dispositif comprenant en outre des moyens d'alimentation électrique (41).

12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces moyens d'alimentation électriques comprennent une batterie (40).