FR2941530A1 - Appareil ethylometre portable - Google Patents

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Abstract

Appareil éthylomètre portable pour mesurer le taux de gaz partiel exhalé dans le fluide d'haleine en respectant un écart type inférieur à 0,007 mg/L pour toute concentration inférieure à 0,400 mg/L, un écart-type relatif inférieur à 1,75 % pour toute concentration supérieure ou égale à 0,400 mg/L et inférieure ou égale à 2,000 mg/L et un écart-type relatif inférieur à 6 % pour toute concentration supérieure à 2,000 mg/L, ce dispositif incluant une unité d'alimentation rechargeable, un dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé, un récepteur infrarouge et une cuve de mesure dans laquelle circule le fluide, caractérisé en ce que, le dispositif d'émission comprenant un élément chauffant dont la puissance est comprise entre 60 mW et 130 mW, la cuve de mesure comprend un tube métallique d'un diamètre intérieur compris entre 5 et 12 mm, d'une longueur comprise entre 140 et 220 mm et dont la surface intérieure est polie et revêtue d'un dépôt réfléchissant au moins le rayonnement infrarouge de longueurs d'ondes comprises dans l'intervalle [9,10µm] et, à chaque extrémité du tube, un embout comprenant une section conique destinée à être placée dans l'axe du tube et dont l'angle d'ouverture est compris entre 8° et 30°, le dispositif d'émission infrarouge étant placé sur l'axe longitudinal du tube au niveau d'un des embouts, le récepteur étant placé sur l'axe longitudinal du tube au niveau de l'autre embout, le tube étant en outre muni de moyens de chauffage aptes à porter le tube à une température supérieure à 39°C.

Description

Titre de l'invention Appareil éthylomètre portable
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs éthylomètres portables pour mesurer le taux de gaz partiel exhalé dans le fluide d'haleine. Plus particulièrement, l'invention s'intéresse à un appareil éthylomètre portable utilisant l'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé.
Un tel appareil éthylomètre portable comprend en général une unité d'alimentation rechargeable, un dispositif d'émission du rayonnement infrarouge pulsé, un récepteur infrarouge et une cuve de mesure dans laquelle circule le fluide. Il existe actuellement de multiples sortes de dispositifs éthylomètres. La plupart ne sont pas portables et sont, soit basés sur l'utilisation d'émission infrarouge, soit basés sur d'autres principes de mesure. Il existe néanmoins des dispositifs éthylomètres portables mais aucun des dispositifs connus n'utilisent une émission infrarouge. Il est rappelé ici qu'un éthylomètre est défini par sa précision et la reproductibilité de ses mesures. Ainsi, la norme internationale OIML R126 définit un éthylomètre par un écart type inférieur à 0,007 mg/L pour toute concentration inférieure à 0,400 mg/L, un écart type relatif inférieur à 1,75 % pour toute concentration supérieure ou égale à 0,400 mg/L et inférieure ou égale à 2,000 mg/L et un écart type relatif inférieur à 6 % pour toute concentration supérieure à 2,000 mg/L. L'utilisation d'un rayonnement infrarouge n'est pas envisagée dans les dispositifs portables puisqu'il est considéré que des trajets optiques de longueurs supérieures à la taille admises pour un dispositif portable sont nécessaires.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de dépasser les préjugés et limitations des dispositifs connus en proposant un appareil éthylomètre portable dans lequel, le dispositif d'émission comprenant un élément chauffant dont la puissance est comprise entre 60mW et 130mW, la cuve de mesure comprend un tube métallique d'un diamètre intérieur compris entre 5 et 12 mm, d'une longueur comprise entre 140 et 220 mm et dont la surface intérieure est polie et 1 revêtue d'un dépôt réfléchissant au moins le rayonnement infrarouge de longueur d'ondes comprises dans l'intervalle [9 pm,10 pm], et, à chaque extrémité du tube, un embout comprenant une section conique destinée à être placée dans l'axe du tube et dont l'angle d'ouverture est compris entre 8 et 30 degrés. Selon l'invention, le dispositif d'émission infrarouge est placé sur l'axe longitudinal du tube au niveau d'un des embouts et le récepteur est placé sur l'axe longitudinal au niveau de l'autre embout. Le tube est en outre muni de moyens de chauffage aptes à porter le tube à une température supérieure à 39°C.
Il a été en effet découvert par les inventeurs que de telles dimensions pour la cuve de mesure et ses extrémités autorisaient l'obtention des écarts-types selon les recommandations de l'OIML avec l'utilisation d'une source infrarouge pulsée présentant une puissance entre 60 et 130 mW ce qui est compatible avec l'autonomie énergétique de l'appareil tout en respectant les dimensions générales admises pour les dispositifs portables. L'utilisation combinée d'un embout à section conique permet, non seulement une récupération maximale du rayonnement émis par le dispositif d'émission infrarouge mais également la création d'une multiplicité de chemins optiques d'une longueur largement supérieure à la longueur du tube. L'existence de ces chemins optiques est autorisée par la qualité réfléchissante des parois du tube et de la section conique présente dans les embouts. La multiplication des chemins optiques autorise qu'une quantité suffisante de rayons traverse une quantité suffisante de fluide pour obtenir les écarts types tels que définis dans les recommandations de l'OIML.
Selon les caractéristiques avantageuses, les moyens de chauffage comprennent une résistance enroulée sur la surface externe du tube. Cette caractéristique permet de maintenir le tube à une température supérieure afin d'éviter toute forme de condensation sur les parois internes de celui-ci lors de la circulation du fluide d'haleine qui arrive à une température autour de 34°C. Une telle implémentation des moyens de chauffage permet une dépense d'énergie minimale pour chauffer le tube. Selon une caractéristique préférentielle, le diamètre intérieur du tube est compris entre 6 et 8 mm.
Préférentiellement, aussi, la longueur du tube est comprise entre 160 et 200 mm.
Avantageusement, l'ouverture angulaire de la section conique des embouts est comprise entre 7° et 30°, encore préférentiellement entre 8° et 17°. Ces caractéristiques permettent d'optimiser les longueurs des chemins optiques dans le tube tout en assurant qu'une quantité lumineuse suffisante arrive en extrémité du tube opposé au dispositif d'émission. Avantageusement, le récepteur infrarouge est un détecteur pyroélectrique. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le dispositif d'émission comprend au moins un module d'alimentation apte à fournir un courant pulsé reproductible à une fréquence de pulsation voulue et un module d'émission constitué d'un substrat sur lequel est placée une couche, ou un filament, de matériau conducteur faisant office de résistance chauffante et destiné à être alimenté par le courant pulsé, cette couche conductrice, ou filament, étant revêtu(e) d'une couche apte à diffuser la chaleur sur laquelle est placée une couche mince d'au moins un matériau semi-conducteur.
Cette caractéristique préférentielle donne un exemple de réalisation de l'invention particulièrement avantageux dans le contexte de portabilité du dispositif lorsque la couche conductrice étant alimentée avec le courant pulsé fourni par le module d'alimentation. En effet, un tel dispositif d'émission infrarouge est particulièrement économe en énergie et cela correspond particulièrement bien à l'utilisation de batteries qui permettent l'autonomie en énergie du dispositif. Les sources infrarouges pulsées connues sont généralement constituées d'une source infrarouge continue associée à un élément en rotation permettant de masquer périodiquement cette source afin de générer un signal alternatif périodique reproductible. Un tel élément en rotation est communément appelé chopper . L'utilisation d'un tel élément en rotation implique l'implantation d'un moteur capable de fournir un mouvement de rotation constant et totalement régulier, de manière à assurer la reproductibilité des impulsions de rayonnement infrarouge. L'implantation d'un tel moteur requiert un encombrement conséquent ainsi que la présence d'une source d'énergie suffisante pour le faire fonctionner ce qui n'est pas nécessairement le cas lorsque des batteries sont utilisées. Avec la caractéristique préférentielle de l'invention, on évite l'implantation d'un tel moteur et on facilite donc la réalisation d'un appareil éthylomètre portable selon l'invention.35 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence au dessin annexé qui en illustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. - la figure 1 représente les éléments essentiels d'un appareil éthylomètre portable selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente un exemple de réalisation des parties essentielles d'un appareil éthylomètre portable selon l'invention. Dans ce dispositif, la cuve de mesure 1 est délimitée par un tube 10, aux extrémités duquel sont montés des embouts 11 et 12. Sur la réalisation préférentielle représentée sur la figure 1, la longueur du tube est égale à 16 mm pour un diamètre de 6 mm. Selon l'invention, le tube est métallique et muni d'une résistance, non représentée, enroulée autour du tube 10. La présence de cette résistance directement placée sur le tube 10 permet de réaliser un chauffage très rapide du tube 10 et donc de la cuve de mesure 1 pour pouvoir effectuer des prises de mesures rapides sans délai d'attente conséquent pour l'utilisateur. L'embout 11 porte un émetteur infrarouge 2 relié à un module d'alimentation non représenté sur la figure 1. Avantageusement, l'émetteur infrarouge 2 est muni d'un cône émetteur 3. L'embout 12 porte une cellule réceptrice 15. La cellule réceptrice 15 est avantageusement un détecteur pyroélectrique. Ce type de composant permet de détecter les radiations thermiques dans le spectre du domaine lointain à partir de 3 pm. L'émetteur 2 et le récepteur 15 sont pourvus chacun d'une fenêtre optique respectivement 16 et 17. Ces fenêtres optiques 16 et 17, associées à des joints toriques 16' et 17', permettent de réaliser une étanchéité entre la cuve de mesure 1 proprement dite et les éléments électroniques d'émission 2 et de réception 15 du rayonnement infrarouge. Les fenêtres 16 et 17 sont avantageusement réalisées dans un matériau laissant passer les infrarouges, par exemple le fluorure de baryum qui présente un coefficient de transmission supérieur à 90 %.
Avantageusement, le détecteur pyroélectrique 15 sera muni d'un filtre ne laissant passer que la longueur d'onde correspondant à l'absorption de l'alcool. La fenêtre optique 17 devant le détecteur pyroélectrique 15 peut comporter d'office un filtre laissant passer les longueurs d'ondes de l'absorption par la liaison OH. Le système de mesure selon l'invention fonctionne en mono-trajet optique. Les embouts 11 et 12 comprennent respectivement une structure tubulaire d'entrée de l'échantillon 13 et une structure tubulaire de sortie de l'échantillon 14. Ces structures tubulaires 13 et 14 sont avantageusement connectées à un système de pompage afin d'assurer la circulation d'échantillon soufflé par l'utilisateur de l'appareil éthylomètre portable. Chacun des embouts 11 et 12 présente une structure conique dont l'ouverture angulaire est égale à 12.5°. Cette structure conique des embouts 11 et 12 permet d'augmenter le nombre de chemins optiques des rayonnements infrarouges se réfléchissant sur la surface intérieure du tube. Cette caractéristique angulaire de l'intérieur des embouts 11 et 12 permet, en effet, de multiplier les chemins optiques tout en conservant une longueur limitée pour l'ensemble de l'appareil de mesure. Le choix de l'ouverture angulaire des embouts 11 et 12 est un compromis entre la multiplication des chemins optiques dans la cuve de mesure et la perte en absorption sur les chemins optiques. En effet, si les chemins optiques sont trop longs, il s'avère que l'énergie infrarouge est perdue en proportion importante, ce qui nuit à la précision de la mesure.
Néanmoins, la longueur du trajet est importante puisque c'est elle qui va déterminer la précision de la mesure d'absorption par le gaz présent dans le fluide d'haleine. Les structures coniques dans les embouts 11 et 12 ainsi que l'intérieur du tube 10 présentent des surfaces de qualité métrologique.
Les dimensions préférentielles d'une cuve de mesure selon l'invention est le résultat de la recherche d'un rapport signal sur bruit maximal compte tenu des pertes énergétiques liées à la longueur des chemins optiques obtenus. Il se trouve qu'avec la structure telle qu'elle est décrite sur la figure 1, 20 % de l'énergie infrarouge circule sans réflexion dans la cuve de mesure et 80 % de cette énergie rebondit sur les parois.
Les dimensions définies selon l'invention permettent d'obtenir un optimum entre la quantité de molécules de gaz partiel rencontrées par le rayonnement infrarouge et la quantité de lumière infrarouge obtenue en fin de parcours. Ainsi, la combinaison entre le choix d'un diamètre, le choix d'une longueur de la cuve et d'une ouverture angulaire pour la surface interne des embouts permet d'obtenir un optimum de comportement du point de vue de la mesure, et ce pour une puissance prédéterminée de l'émission d'infrarouges. Par ailleurs, on sait que l'effet pyroélectrique se traduit par les modifications de la polarisation naturelle de l'élément ferroélectrique du capteur qui est un cristal. L'absorption de radiation thermique correspond généralement à une variation de température et se traduit par l'apparition de charges électriques en surface. Cependant, à température constante, la distribution de charge alternée doit être neutralisée par les électrons libres et les potentiels de surface, de telle sorte qu'aucune différence de potentiel n'est mesurée. Par contre, si la température est rapidement modifiée, les moments des dipôles internes changent, ce qui se traduit par l'apparition d'une différence de potentiel transitoire. Il est donc nécessaire que la source d'irradiation infrarouge ne soit pas constante en intensité afin de générer des variations de polarisation et de permettre la détection du rayonnement. L'émission d'infrarouge peut ainsi être effectuée à l'aide d'une source infrarouge continue associée à un élément en rotation permettant de masquer périodiquement cette source afin de générer un signal alternatif périodique reproductible. Néanmoins, on a vu auparavant que l'utilisation d'une telle source d'infrarouge pulsée nécessite une énergie importante qui n'est généralement pas disponible dans les appareils portables qui fonctionnent sur batteries. Aussi, dans la réalisation préférentielle de l'invention, l'émetteur infrarouge 2 est constitué d'un composant électronique émettant des impulsions reproductibles dans l'intervalle spectrale [9 pm, 10 pm] comprenant au moins un module d'alimentation apte à fournir un courant pulsé reproductible à une fréquence de pulsation voulue et un module d'émission constitué d'un substrat plan sur lequel est placée une couche ou un filament de matériau conducteur faisant office de résistance chauffante, cette couche conductrice ou ce filament étant revêtu d'une couche apte à diffuser la chaleur sur laquelle est placée une couche mince d'au moins un matériau semi-conducteur, la couche conductrice étant alimentée avec le courant pulsé fourni avec un module d'alimentation.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Appareil éthylomètre portable pour mesurer le taux de gaz partiel exhalé dans le fluide d'haleine en respectant un écart type inférieur à 0,007 mg/L pour toute concentration inférieure à 0,400 mg/L, un écart-type relatif inférieur à 1,75 0/0 pour toute concentration supérieure ou égale à 0,400 mg/L et inférieure ou égale à 2,000 mg/L et un écart-type relatif inférieur à 6 % pour toute concentration supérieure à 2,000 mg/L, ce dispositif incluant une unité d'alimentation rechargeable, un dispositif d'émission d'un rayonnement infrarouge pulsé, un récepteur infrarouge et une cuve de mesure dans laquelle circule le fluide, caractérisé en ce que, le dispositif d'émission comprenant un élément chauffant dont la puissance est comprise entre 60 mW et 130 mW, la cuve de mesure comprend un tube métallique d'un diamètre intérieur compris entre 5 et 12 mm, d'une longueur comprise entre 140 et 220 mm et dont la surface intérieure est polie et revêtue d'un dépôt réfléchissant au moins le rayonnement infrarouge de longueurs d'ondes comprises dans l'intervalle [9,10pm] et, à chaque extrémité du tube, un embout comprenant une section conique destinée à être placée dans l'axe du tube et dont l'angle d'ouverture est compris entre 8° et 30°, le dispositif d'émission infrarouge étant placé sur l'axe longitudinal du tube au niveau d'un des embouts, le récepteur étant placé sur l'axe longitudinal du tube au niveau de l'autre embout, le tube étant en outre muni de moyens de chauffage aptes à porter le tube à une température supérieure à 39°C.
  2. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une résistance enroulée sur la surface externe du tube.
  3. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le diamètre intérieur du tube est compris entre 6 et 8 mm.
  4. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur du tube est comprise entre 160 et 200 mm.
  5. 5. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que 35 l'ouverture angulaire des sections coniques des embouts est comprise entre 7° et 30°.30
  6. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture angulaire des sections coniques des embouts est comprise entre 8 et 17°.
  7. 7. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur infrarouge est un détecteur pyroélectrique.
  8. 8. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'émission comprend au moins un module d'alimentation apte à fournir un courant pulsé reproductible à une fréquence de pulsation voulue et un module d'émission constitué d'un substrat sur lequel est placé une couche, ou un filament, de matériau conducteur faisant office de résistance chauffante et destiné à être alimenté(e) par le courant pulsé, cette couche conductrice ou ce filament étant revêtu(e) d'une couche apte à diffuser la chaleur sur laquelle est placée une couche mince d'au moins un matériau semi-conducteur, la couche conductrice étant alimenté avec le courant pulsé fourni par le module d'alimentation.
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