FR2880949A1 - Dispositif d'analyse de la composition qualitative de gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif destiné à analyser la composition qualitative et, le cas échéant, également la composition quantitative de gaz, dans lequel le gaz à analyser est traversé par une lumière de mesure de composition spectrale connue et peut être amené à une interaction, et dans lequel on dispose d'un dispositif de détection qui peut détecter de la lumière provenant de lieux d'interaction entre la lumière de mesure et le gaz à analyser, au moins un élément optique à réfraction-diffraction (7) étant placé sur la trajectoire du rayon entre la zone dans laquelle intervient l'interaction entre le gaz à analyser et la lumière de mesure, et le dispositif de détection, élément optique qui est transparent sur toute sa surface et contribue, par transmission, à une projection - en fonction de la longueur d'onde - de la lumière à détecter sur le dispositif de détection.
Description
L'invention concerne un dispositif d'analyse, par spectroscopie, de la
composition qualitative de gaz.
Pour analyser les gaz, il est possible d'avoir recours à plusieurs procédés différents. Sont couramment utilisés, entre autres, des détecteurs optiques à infrarouge présentant une sensibilité transversale relativement faible, qui se distinguent par une grande fiabilité. C'est pour cette raison que ces types de détecteurs sont utilisés aussi bien dans le domaine de la technique médicale, par exemple pour analyser des gaz anesthésiques, du CO2 ou de l'oxyde nitreux, que dans le domaine de la prévention des accidents, pour détecter les hydrocarbures, le dioxyde de carbone etc. Les détecteurs optiques à infrarouge se basent sur l'évaluation de variations spectrales provoquées par les interactions de gaz à analyser avec une lumière de mesure. Dans ce cas, le spectre de la lumière de mesure peut se modifier par des processus d'absorption ou une émission spontanée peut intervenir à la suite de l'interaction. Dans la plupart des cas d'application s'exprime l'exigence de détecter et/ou d'évaluer, à partir d'un spectre à bande relativement large dans le domaine infrarouge, des variations dans des intervalles entre longueurs d'ondes nettement plus étroits. Dans ces cas, il est nécessaire de procéder à une sélection spectrale.
Dans le domaine des détecteurs optiques à infrarouge, on établit une différence entre systèmes dispersifs et systèmes non-dispersifs. Les systèmes dispersifs comportent le plus souvent des structures en réseaux classiques et présentent l'avantage d'utiliser une plus grande quantité d'informations spectrales en effectuant une subdivision en fonction de la longueur d'onde; d'un autre côté, les appareils équipés de ce type de dispositifs sont généralement très chers, relativement volumineux et ne sont pas pratiques à manipuler. Si les systèmes non dispersifs sont généralement plus solides et compacts, il n'est cependant souvent pas possible, du fait de l'utilisation de filtres d'interférence relativement coûteux, de passer en-dessous d'une certaine limite de coûts, en particulier lorsqu'un nombre important de détecteurs (> 2) est utilisé.
En outre, dans le cas des deux procédés, on utilise souvent des systèmes de lentilles supplémentaires, pour assurer la focalisation, qui augmentent le prix de ces détecteurs et les rendent moins compacts.
Il n'est cependant souvent pas possible de se passer de focalisation. Afin qu'il ne soit pas indispensable d'ajouter des éléments de focalisation, on connaît des tentatives de concevoir des éléments dispersifs à échelle macroscopique de telle sorte qu'ils présentent des propriétés focalisantes et/ou de projection. On peut citer comme exemple des structures concaves sphériques, dont la surface est périodiquement microstructurée. On obtient ainsi un élément optique associant les propriétés de projection d'un miroir creux à l'effet dispersif d'une grille de réflexion. Cependant, ces éléments requièrent beaucoup de matière, sont lourds et coûteux à fabriquer. En outre, l'utilisation de ces éléments à fonctionnement réflexif est souvent associée à une trajectoire de rayon nettement allongée, jusqu'au point où s'effectue la détection, ce qui augmente la probabilité que le signal à analyser soit faussé par des facteurs qui n'ont rien à voir avec la substance à analyser.
L'invention a pour but de fournir un dispositif d'analyse de gaz, de préférence à infrarouge, qu'il soit possible de fabriquer de façon économique, qui présente une grande sensibilité et qui soit de construction compacte et légère, et qui préserve efficacement de l'altération du signal de mesure.
L'invention part du principe qu'il est possible, au moins en ce qui concerne une analyse qualitative de gaz, d'utiliser un élément optique à réfraction-diffraction (EORD), utilisé pour assurer une transmission et ayant une action de projection, sans être à échelle macroscopique comme une lentille classique.
L'invention est constituée par un dispositif destiné à analyser au moins la composition qualitative de gaz, dans lequel le gaz à analyser est traversé par une lumière de mesure de composition spectrale connue et peut être amené à une interaction, et dans lequel on dispose d'un dispositif de détection qui peut détecter de la lumière provenant de lieux d'interaction entre la lumière de mesure et le gaz à analyser, au moins un élément optique à réfraction-diffraction étant placé sur la trajectoire du rayon entre la zone dans laquelle intervient l'interaction entre le gaz à analyser et la lumière de mesure, et le dispositif de détection, élément optique qui est transparent sur toute sa surface et contribue, par transmission, à une projection en fonction de la longueur d'onde de la lumière à détecter sur le dispositif de détection.
Un EORD au sens de l'invention est un corps, de préférence plan, constitué essentiellement en matériau transparent, présentant, au moins sur une face, une surface structurée. La structuration est effectuée de façon à obtenir des surépaisseurs de matériau transparent, réparties sur la surface structurée, qui assurent une fonction dispersive à la façon d'un réseau de phase. En outre, la surface, au moins dans certaines zones, présente une microstructure qui assure une fonction de projection des différentes zones de surface ou de la structure d'ensemble. Cette microstructure peut comprendre une courbure des différentes zones de surface et/ou une formation de structures sous-jacentes microscopiques, actives sur le plan optique, d'un ordre de grandeur correspondant aux longueurs d'ondes employées, par exemple des prismes.
Dans tous les cas, il est avantageux que l'élément optique ait une action tant dispersive que focalisante; il ne doit pas présenter, sur le plan macroscopique, de différences d'épaisseur notoires, et il faut qu'il fonctionne en transmission. On peut ainsi obtenir une forme de construction compacte ainsi que de courts écarts entre le lieu où se trouve le gaz à analyser, l'EORD et le dispositif de détection, ce qui, d'autre part, réduit la sensibilité aux parasites du dispositif. Le fait que la forme de base de l'EORD soit plane permet en outre de disposer d'un modèle plat qui rend sa réalisation résolument facile.
Si l'EORD est fabriqué à partir d'une ébauche directement structurable, sa fabrication est extrêmement économique.
Dans la mesure où l'effet dispersif est uniquement obtenu par les différences d'épaisseur du matériau qui compose le corps de base, il n'est pas nécessaire de réduire la transparence de différentes zones de surface, comme ceci est le cas pour les réseaux d'amplitude. La totalité de la section transversale de l'EORD est donc disponible pour collecter la lumière qu'il convient d'acheminer vers le dispositif de détection. La sensibilité de mesure du dispositif selon l'invention atteint ainsi son niveau maximum.
L'EORD présente un caractère dispersif et est simultanément en mesure de produire un foyer, tout comme une lentille réfractive classique. La position des points focaux dépend de la longueur d'onde. La structure de la surface de l'EORD détermine le long de quelle figure le foyer se déplace, en cas de variation de la longueur d'onde. II est ainsi possible d'adapter la géométrie de projection à des dispositifs de détection préférés ou dont le choix est conditionné par le type de construction. Ainsi, le dispositif selon l'invention peut avantageusement être conçu de telle sorte que plusieurs éléments détecteurs soient disposés dans un plan, ou en trois dimensions. En fonction du modèle, il est possible de prévoir, au lieu d'éléments détecteurs isolés, des détecteurs doubles, des lignes de détecteurs ou des puces 2D, ce qui permet d'analyser simultanément plusieurs longueurs d'ondes.
La question de savoir si le dispositif selon l'invention ne peut être utilisé que pour une analyse qualitative du gaz ou permet également une évaluation quantitative, dépend du traitement ultérieur des signaux émis par les différents éléments détecteurs. Le traitement du signal peut largement s'appuyer sur des algorithmes connus d'analyse spectrale, et ceci s'applique aussi bien à l'évaluation de l'émission de gaz excités qu'à une analyse de l'absorption du gaz à analyser.
II est avantageusement possible que le dispositif comporte plusieurs éléments optiques à réfraction-diffraction, adaptés, chacun, à une 10 projection de différents plages de longueurs d'ondes.
II est possible de réaliser des formes de construction particulièrement légères lorsqu'un ou plusieurs éléments optiques à réfraction-diffraction sont constitués en matière synthétique. Cependant, la majorité des matières synthétiques ne peuvent pas être utilisés pour fabriquer des éléments optiques laissant passer l'infrarouge, en raison de leurs caractéristiques d'absorption. Il s'est toutefois avéré que, du fait d'un choix judicieux du matériau, il est possible que les éléments optiques à réfraction-diffraction soient constitués en matière synthétique présentant, dans une plage de longueurs d'ondes de 3 pm à 12 pm, pour l'épaisseur de l'EORD utilisée, qui se situe dans un ordre de grandeur de quelques millimètres, une transmission de T > 50 %. Dans la plupart des cas, ceci est suffisant pour les dispositifs selon l'invention.
II est particulièrement avantageux que les dispositifs selon l'invention soient équipés d'EORD en polyéthylène. Ce matériau permet simultanément de mettre en oeuvre des méthodes avantageuses de structuration de surface, permettant, par rapport à d'autres matériaux, une structuration et une fabrication nettement plus économiques des EORD, par des procédés adaptés de réplication (estampage à chaud, moulage par injection) et du fait que la matière première est peu coûteuse.
En outre, les matières synthétiques présentent une capacité de dilatation en température relativement élevée. Ainsi, le polyéthylène présente une dilatation qui, pour une variation de température donnée, est approximativement 14 fois celle de l'or. Etant donné que la dilatation intervient de façon isotrope, cette propriété, pour des EORD conformés en éléments de surface, peut être mise à profit, dans un certain cadre, par une variation ciblée de la température, pour moduler ses propriétés optiques, par exemple pour détecter des tolérances de fabrication. Pour cette raison, il peut être avantageux que soient prévus des moyens permettant de régler la température d'au moins un élément optique à réfraction-diffraction ou de la maintenir à des valeurs susceptibles d'être prédéterminées. Ces moyens peuvent inclure, par exemple, des structures de maintien chauffantes et/ou des blindages avantageux des EORD.
Pour des raisons constructives, il peut être avantageux que le dispositif de détection comprenne au moins un détecteur mobile pouvant être déplacé de façon contrôlée dans la plage de projection ou que soient prévus d'autres moyens permettant de réaliser un déplacement relatif entre le dispositif de détection et l'élément optique à réfraction-diffraction. La figure à traverser, dans ce cas, est avantageusement adaptée à la position des points focaux qui dépendent de la longueur d'onde.
Selon une application alternative du concept de l'invention, il est possible de monter plusieurs EORD sur un support, par exemple sur un support en matière synthétique, se présentant sous la forme d'une rangée de cellules segmentée, éclairant une rangée correspondante de détecteurs.
Suivant une forme de réalisation, des moyens sont prévus pour permettre une évaluation quantitative des signaux détectés.
De façon préférée, des moyens d'évaluation d'une émission spontanée sont prévus.
De préférence, des moyens d'évaluation de l'absorption du gaz à analyser sont prévus.
Selon une forme d'exécution, au moins un élément optique à 25 réfractiondiffraction est constitué en matière synthétique.
L'invention va être expliquée plus en détail à l'aide d'un exemple d'exécution.
Sur le dessin, la figure 1 représente schématiquement un détecteur d'infrarouge 30 selon l'état de la technique, la figure 2 représente schématiquement un détecteur d'infrarouge équipé d'un élément optique à réfraction-diffraction.
Comme représenté à la figure 1, une source de lumière 1 émet de la lumière de mesure dans le domaine spectral de l'infrarouge. La lumière de mesure traverse un diaphragme 2 et une chambre d'absorption 3 avant d'atteindre un séparateur de faisceaux 4. Le gaz à analyser est acheminé à travers la chambre d'absorption 3. Il s'ensuit donc des interactions entre le gaz à analyser et la lumière de mesure, ce qui peut produire des effets d'absorption et/ou d'émission. Des fractions de la lumière qui sort de la chambre d'absorption 3 sont dirigées, par le séparateur de faisceaux 4, vers des détecteurs 5, 5', devant lesquels sont placés des filtres d'interférence 6, 6' qui s'assurent que seule la lumière du domaine spectral qui peut être détecté par le détecteur 5, 5' concerné, produit effectivement un signal.
La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention, c'est-à-dire d'un détecteur d'infrarouge équipé d'un élément optique à réfraction-diffraction (EORD). Celui-ci présente également un dispositif comprenant une source de lumière 1, un diaphragme 2 et une chambre d'absorption 3. La lumière qui sort de la chambre d'absorption 3 n'est cependant pas envoyée à un séparateur de faisceaux, mais est amenée à traverser un élément optique 7 à réfraction-diffraction transparent en polyéthylène. Ceci entraîne une projection, dépendant de la longueur d'onde, sur des détecteurs 5, 5', qui sont disposés dans un plan perpendiculaire à l'axe optique. Il n'est pas nécessaire d'équiper les détecteurs de filtres, étant donné que la dépendance de la longueur d'onde de la projection assure déjà un "filtrage géométrique". Ceci présente l'avantage que, du fait de l'absence de séparateur de faisceaux, c'est toujours la totalité de l'énergie - qui est disponible dans une longueur d'onde qui intéresse l'utilisateur - qui est collectée en un point focal à associer à cette longueur d'onde, et qui est disponible pour la détection.
Du fait de la propriété dispersive de l'EORD, la lumière qui sort de la chambre d'absorption 3 est subdivisée, en fonction de la longueur d'onde, et est focalisée sur les détecteurs 5, 5', en raison des propriétés également focalisantes.
Claims (12)
1. Dispositif destiné à analyser la composition qualitative de gaz, dans lequel le gaz à analyser est traversé par une lumière de mesure de composition spectrale connue et peut être amené à une interaction, et dans lequel on dispose d'un dispositif de détection qui peut détecter de la lumière provenant de lieux d'interaction entre la lumière de mesure et le gaz à analyser, caractérisé en ce qu'au moins un élément optique à réfraction-diffraction (7) est placé sur la trajectoire du rayon entre la zone dans laquelle intervient l'interaction entre le gaz à analyser et la lumière de mesure, et le dispositif de détection, élément optique qui est transparent sur toute sa surface et contribue, par transmission, à une projection en fonction de la longueur d'onde de la lumière à détecter sur le dispositif de détection.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que sont prévus des moyens permettant une évaluation quantitative des signaux 15 détectés.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sont prévus des moyens d'évaluation d'une émission spontanée.
4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sont prévus des moyens d'évaluation de l'absorption du gaz à analyser.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs éléments détecteurs (5, 5') sont disposés dans un plan.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs éléments détecteurs (5, 5') sont en trois dimensions.
7. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif comporte plusieurs éléments optiques à réfractiondiffraction, adaptés, chacun, à une projection de différentes plages de longueurs d'ondes.
8. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un élément optique à réfraction-diffraction (7) est 30 constitué en matière synthétique.
9. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un élément optique à réfraction-diffraction (7) est constitué en matière synthétique présentant, dans une plage de longueurs d'ondes de 3 pm à 12 pm, pour l'épaisseur de l'élément optique à réfraction- diffraction utilisée, une transmission de T > 50 %.
10. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins un élément optique à réfraction-diffraction (7) est constitué en polyéthylène.
11. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend au moins un détecteur mobile pouvant être déplacé de façon contrôlée dans la plage de projection ou en ce que sont prévus d'autres moyens permettant de réaliser un déplacement relatif entre le dispositif de détection et l'élément optique à réfraction-diffraction.
12. Dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que sont prévus des moyens permettant de régler la température d'au moins un élément optique à réfraction-diffraction ou de la maintenir à des valeurs susceptibles d'être prédéterminées.
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