FR3005738A1 - Opacimetre pour la detection des faibles niveaux de polluants dans un gaz d'echappement - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de mesure de l'opacité des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur, permettant de déterminer des teneurs faibles comme élevées de polluants présents dans ces gaz, avec une précision accrue. Il comprend une enceinte à paroi tubulaire de longueur Le déterminée, fermée à ses extrémités, présentant un conduit d'entrée et au moins un conduit de sortie pour la circulation dudit gaz dans l'enceinte, des moyens d'émission d'un faisceau lumineux traversant l'enceinte dans sa longueur, des moyens de réception dudit faisceau lumineux ayant traversé l'enceinte, et des moyens de transformation de celui-ci en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue pour donner une mesure de l'opacité du gaz présent dans l'enceinte, des moyens d'émission et de réception du faisceau lumineux étant disposés à une première extrémité de l'enceinte, et des moyens de réflexion placés perpendiculairement audit faisceau étant disposés à une seconde extrémité de l'enceinte de sorte que le faisceau lumineux traverse deux fois l'enceinte selon une même trajectoire, dans un sens direct et dans un sens retour, avant d'atteindre lesdits moyens de réception.

Description

OPACIMETRE POUR LA DETECTION DES FAIBLES NIVEAUX DE POLLUANTS DANS UN GAZ D'ECHAPPEMENT La présente invention appartient au domaine des appareils utilisés pour le contrôle technique des véhicules automobiles, et plus particulièrement à celui des dispositifs de mesure de l'opacité des gaz émis par un moteur thermique. Elle a pour objet un dispositif de mesure de l'opacité des gaz d'échappement permettant de déterminer des teneurs faibles, voire très faibles, en polluants présents dans ces gaz, comme des teneurs élevées, et ce avec une précision accrue à toutes les teneurs. On sait qu'un moteur thermique émet durant son fonctionnement divers polluants, dont des particules solides de différentes tailles, majoritairement des particules de suie responsables de la formation des fumées noires (aussi appelées Black carbon). Le flux gazeux émis comprend également différentes molécules à l'état gazeux dont certaines sont nocives, notamment du monoxyde d'azote NO ou du dioxyde d'azote NO2, désignés communément par l'abréviation NOx. L'opacité des gaz d'échappement est pour l'essentiel due à ces particules solides en suspension et aux NOx qui ont une couleur brune.

Les opacimètres sont communément utilisés lors des contrôles techniques pour déterminer la teneur en particules solides, ou autres substances colorées, dans un gaz d'échappement. Ils sont constitués d'une chambre dans laquelle les gaz issus du moteur circulent. La chambre est munie d'une source lumineuse à une extrémité et d'un récepteur à l'autre extrémité. Un tel dispositif de mesure est connu par exemple du document FR 2.703.460. En France, on se réfèrera à la norme R-10.025.3 qui définit la procédure de contrôle de l'opacité des gaz d'échappement. Le principe est que l'intensité du faisceau lumineux traversant la chambre décroît en proportion de l'opacité des gaz présents, c'est-à-dire de leur coefficient d'absorption, conformément à la loi de Beer Lambert, qui s'énonce par la relation : IR / Is = e d'où on déduit l'opacité : N = 100 (e -K.L) avec N : opacité (en (3/0) K : coefficient d'absorption (en m-1) L : longueur de gaz d'échappement traversé par le faisceau lumineux (en m) IR : intensité lumineuse de l'émetteur Is : intensité lumineuse reçue par le récepteur Face aux défis environnementaux et de santé publique, la réglementation en matière de rejets dans l'atmosphère devient de plus en plus stricte. Les nouvelles normes exigent un saut quantitatif important dans la réduction des émissions polluantes. Ceci implique bien sûr de mettre au point des véhicules plus propres (au niveau des constructeurs) mais aussi de disposer d'appareils de contrôle des composés polluants présents à des teneurs plus faibles que jamais dans les gaz d'échappement des moteurs à essence. Ce faisant, le niveau de précision des mesures doit être maintenu, voire amélioré. Dans le cas des moteurs Diesel qui sont désormais aussi soumis à des règles plus strictes, le taux de particules toléré est désormais aussi très réduit, et doit être vérifié avec une précision accrue, lors des contrôles techniques. On sait par exemple que pour l'homologation en sortie de fabrication, entre 2000 et 2014 le taux admis de NOx émis est passé de 0,5 g/km à 0,08 g/km pour les moteurs à essence, et de 0,15 g/km à 0,06 g/km pour les moteurs Diesels. De même, le taux maximum de particules est désormais de 0,005 g/km, soit dix fois moins qu'en 2000 pour les Diesels, alors qu'il n'était pas réglementé pour les moteurs à essence.

Les équipements actuels ne permettent pas de répondre à ces exigences car ils ne sont pas en adéquation du point de vue de la précision, de la sensibilité et du niveau minimum devant être détecté en relation avec une gamme de mesure plus faible compatible avec les nouvelles législations d'émission.

Les inventeurs ont souhaité proposer un dispositif de contrôle de l'opacité des gaz d'échappement (ou opacimètre), qui soit opérationnel dans toute la gamme attendue, pour des véhicules à essence comme pour les véhicules Diesel, et qui réponde au degré de précision exigé dans toute la gamme des valeurs rencontrées, tout en restant robuste et fiable. La solution proposée doit être compatible avec un usage en atelier de mécanique auto ou en centre de contrôle technique, dans des conditions similaires à celles mises en oeuvre jusqu'à présent. Ceci implique un appareil peu encombrant, facile à utiliser, ne nécessitant pas ou peu de maintenance.

La présente invention répond aux objectifs ci-dessus avec un opacimètre dont le faisceau lumineux est réfléchi à une extrémité du dispositif, de sorte qu'il traverse deux fois le volume gazeux dans un sens direct et dans un sens retour, selon une même trajectoire, avant d'atteindre le récepteur. En doublant la longueur du trajet optique, on double aussi la précision et la sensibilité de la mesure, sans augmenter la taille de la chambre de mesure. Il est toutefois possible, et même intéressant, d'allonger la chambre puisque dans ce cas, chaque centimètre supplémentaire contribue doublement à accroître la précision de la mesure.

Le montage optique est réalisé de telle sorte que le faisceau lumineux suit une trajectoire identique en traversant le volume gazeux dans les deux sens. Ceci présente l'avantage de simplifier les réglages mécaniques. Cependant, cette configuration impose de modifier la méthode de calibration du dispositif de façon pouvoir vérifier l'exactitude et la proportionnalité des valeurs d'opacité fournies par l'appareil, dans des conditions similaires à celles dans lesquelles les mesures sont réalisées en routine. En effet, la fiabilité d'un opacimètre doit être contrôlée à intervalle de temps régulier, par exemple tous les six mois. Il s'agit de vérifier que les valeurs qu'il délivre correspondent à l'opacité réelle du milieu traversé par le faisceau. On utilise pour cela généralement des filtres optiques ayant des coefficients d'absorption répartis dans la gamme souhaitée, et préalablement étalonnés par un organisme certificateur. On place chaque filtre sur le trajet optique du faisceau lumineux, on purge le dispositif, généralement avec de l'air ambiant, et on réalise la mesure d'opacité. On vérifie enfin que les valeurs mesurées correspondent aux valeurs d'étalonnage (compte tenu des valeurs d'incertitude). Les inventeurs ont analysé les différents éléments et paramètres des opacimètres conventionnels, ils ont identifié un ensemble de causes responsables de cet état de fait et ont envisagé des solutions pouvant y être apportées.

Un problème découle du fait que les filtres, s'ils ont un coefficient d'absorption donné, ont aussi un certain coefficient de réflexion. Ceci signifie qu'une fraction du faisceau lumineux est réfléchie dans la chambre de mesure et risque d'être captée par le récepteur, sans avoir parcouru la trajectoire complète aller et retour à travers le filtre. La calibration s'en trouve faussée.

Un autre inconvénient qui a été identifié par les inventeurs, provient plus généralement des caractéristiques du système d'étalonnage des filtres optiques. Trois éléments sont à prendre en compte lors de l'étalonnage des filtres, à savoir l'émetteur, le filtre et le récepteur. Les filtres sont habituellement caractérisés sur une bande de longueur d'ondes de +/- 30 nm. Or, la réponse du filtre n'est pas constante sur cette fenêtre de mesure. La réponse du récepteur à l'exposition de l'émetteur au travers de cette fenêtre ne peut alors que donner une réponse non linéaire et non stable. La présente invention apporte une réponse à ce problème avec un système d'étalonnage des filtres combiné à un système de calibration optique de l'opacimètre, conçu pour fonctionner sur une bande d'ondes plus étroite, définissant une fenêtre assimilable à un point, sans pour autant élever le niveau d'exigence dans les critères de choix de l'émetteur et du récepteur. La réponse du filtre peut alors être considérée comme stable et fixe.

II est donc proposé dans le cadre de la présente invention un opacimètre de précision élevée obtenue grâce à un faisceau lumineux parcourant une double trajectoire dans la chambre de mesure, lequel est associé à un mode de calibration à l'aide d'un jeu de filtres placés dans la chambre de mesure de façon à ne pas interférer avec la double trajectoire du faisceau lumineux comme prévu dans l'opacimètre selon l'invention, et dont les caractéristiques optiques sont bien définies et fixes dans un intervalle quasiment ponctuel. Ce mode de calibration original et spécialement adapté à la configuration de l'opacimètre, contribue à l'obtention d'un degré inégalé de précision des mesures réalisées sur les différents types de gaz d'échappement concernés par les opérations de contrôle technique.

Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de l'opacité d'un gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, comprenant une enceinte à paroi tubulaire de longueur Le déterminée, fermée à ses extrémités, présentant un conduit d'entrée et au moins un conduit de sortie pour la circulation dudit gaz dans l'enceinte, des moyens d'émission d'un faisceau lumineux traversant l'enceinte dans sa longueur, des moyens de réception dudit faisceau lumineux ayant traversé l'enceinte, et des moyens de transformation de celui-ci en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue pour donner une mesure de l'opacité du gaz présent dans l'enceinte, ledit dispositif étant caractérisé en ce que les moyens d'émission et de réception du faisceau lumineux sont disposés à une première extrémité de l'enceinte, et des moyens de réflexion placés perpendiculairement audit faisceau sont disposés à une seconde extrémité de l'enceinte de sorte que le faisceau lumineux traverse deux fois l'enceinte selon une même trajectoire, dans un sens direct et dans un sens retour, avant d'atteindre lesdits moyens de réception.

Le terme "gaz d'échappement" désigne le flux essentiellement gazeux émis par un moteur à combustion. Il s'agit d'un mélange complexe contenant aussi bien des corps à l'état gazeux que des particules solides entraînées dans le courant de gaz. Par convention, on utilisera par la suite ce terme au singulier pour désigner un mélange donné émis à un moment donné et ayant une composition donnée. Lors du contrôle d'un véhicule, la ligne d'échappement du moteur est dérivée vers le dispositif de mesure, de sorte qu'une fraction au moins du gaz d'échappement pénètre dans l'enceinte et circule dans celle-ci avant d'en être évacuée. La mesure d'opacité est réalisée sur une fraction du gaz traversant l'enceinte à un instant donné. L'enceinte est commodément de forme allongée et de section circulaire, avec un axe longitudinal principal (plus loin désigné comme l'axe de l'enceinte), mais peut adopter d'autres formes équivalentes pour les fonctions recherchées, par exemple adopter une section carrée. Elle peut être équipée d'autres organes agencés sur la structure tubulaire de base. Elle peut en particulier comporter une sonde réalisant une mesure de la teneur en oxydes d'azote, sur la même fraction de gaz, afin de fournir des information complètes et complémentaires lors du contrôle technique du véhicule, quand au niveau de rejet des polluants et au bon fonctionnement du système de régulation des émissions (vanne ERG, ordinateur de bord).

L'enceinte comporte notamment un conduit d'entrée du gaz, qui est facilement relié à la ligne d'échappement pendant le fonctionnement du dispositif de mesure, et au moins un conduit de sortie pour l'évacuation du gaz. On comprend que pour obtenir une mesure fiable de l'opacité du milieu gazeux, la circulation du gaz doit être régulière et suivre un trajet assez long. On privilégie avantageusement une position aussi éloignée que possible entre l'entrée et la sortie du gaz. L'opacité est mesurée par la perte d'intensité d'un faisceau lumineux ayant traversé le volume gazeux présent dans l'enceinte à cet instant. De manière connue, une source émettrice de lumière envoie un faisceau dans l'enceinte, lequel est reçu par un récepteur.

La signal électrique généré est proportionnel à l'opacité, mais aussi à la longueur du trajet optique à travers le gaz. La longueur Le de l'enceinte est donc déterminée et fixe. Dans le dispositif de mesure selon l'invention, les moyens d'émission et de réception du faisceau lumineux sont disposés à une première extrémité de l'enceinte, et des moyens de réflexion dudit faisceau sont disposés à une seconde extrémité de l'enceinte, de sorte que faisceau lumineux émis traverse deux fois l'enceinte, selon une trajectoire aller et une trajectoire retour, avant d'atteindre les moyens de réception. Ceci présente l'avantage de doubler la longueur du trajet lumineux et donc de réaliser une mesure de précision et de sensibilité sensiblement doublée pour une enceinte identique. Le dispositif peut ainsi conserver ses dimensions standards, ce qui n'augmente pas l'encombrement du dispositif et lui conserve sa maniabilité. Il est toutefois possible, et même intéressant, d'allonger la chambre puisque dans ce cas, chaque centimètre supplémentaire contribue doublement à accroître la précision de la mesure.

Dans le dispositif de mesure selon l'invention, les moyens de réflexion dudit faisceau lumineux comportent avantageusement (ou sont constitués de) un miroir plan placé perpendiculairement à l'axe de l'enceinte. Ce miroir, placé à proximité de la paroi extrême de l'enceinte, renvoie le faisceau lumineux selon la même trajectoire dans le sens direct et dans le sens retour.

Ce dispositif de mesure peut être agencé comme décrit ci-dessus, ou selon tout mode de réalisation équivalent. Il peut également adopter une configuration dans laquelle une chambre virtuelle est créée au sein de l'enceinte par l'entremise de deux courants laminaires d'air ambiant pénétrant dans l'enceinte perpendiculairement à son axe, de sorte que le gaz d'échappement est entraîné vers les conduits de sortie sans pouvoir se répandre dans les parties terminales de l'enceinte. De ce fait, les éléments optiques placés aux extrémités de l'enceinte ne subissent pas d'encrassement, ce qui est un facteur supplémentaire de maintien d'un niveau de performance élevé du dispositif objet de la présente invention. Ce mode de réalisation fait l'objet d'une demande de brevet où il est décrit plus en détail. On indique que selon l'invention, le dispositif de mesure comporte des éléments chauffants thermostatés disposés sur les parties de l'enceinte susceptibles d'être le siège de phénomènes de condensation (la paroi et les zones terminales de l'enceinte notamment). Les éléments chauffants ont une température prédéterminée et/ou régulée, de manière à empêcher que de la vapeur d'eau ne se dépose sur les parois froides. Egalement, selon une caractéristique du dispositif de mesure selon l'invention, la paroi de l'enceinte est revêtue d'un matériau absorbant la lumière dans la bande de fréquence du visible et de la source lumineuse, afin qu'aucune réflexion ou transmission de lumière indésirable n'atteigne le récepteur. Comme expliqué plus haut, pour que les valeurs mesurées soient correspondent de manière fiable et précise avec la réalité, il faut qu'une calibration du dispositif soit faite, avec la plus grande précision, avec les moyens nécessaires à la vérification de l'exactitude et de la linéarité en mesure statique lors des essais métrologiques liés aux épreuves de substitution. Ces moyens d'essais nécessaires sont en premier lieux des jeux de filtres optiques, caractérisé en transmission, c'est-à-dire dont le taux de filtration est déterminé avec exactitude et certitude, par un certificat d'étalonnage délivré par un organisme habilité. Un relevé de mesure correspondant à chaque filtre permet de calculer un écart entre valeur relevée et valeur du certificat d'étalonnage. Ces valeurs pour l'ensemble des filtres permettent de déterminer l'exactitude et la linéarité caractérisant l'équipement. Ce faisant, il faut tenir compte de la trajectoire directe et retour du faisceau lumineux.

C'est pourquoi, selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif est muni de moyens de calibration comprenant : - un jeu de filtres optiques caractérisés en absorption, et - une fente ménagée dans la paroi de l'enceinte pour installer successivement chaque filtre dudit jeu de filtres sur le trajet du faisceau lumineux, avec une inclinaison non nulle par rapport à un plan orthogonal au faisceau lumineux. Le principe mis en oeuvre est d'utiliser une inclinaison du filtre afin que la réflexion parasite (due au filtre lui-même ou à la lumière qui parvient à pénétrer dans l'enceinte par les orifices d'entrée et sortie de gaz) soit orientée vers la paroi de l'enceinte, celle-ci étant traitée avec un revêtement absorbant la lumière, pour y être absorbée et ainsi ne pas venir s'ajouter au signal de retour à destination du récepteur. Le pouvoir filtrant de ces filtres est obtenu par un traitement de surface de quelques microns, qui forme un film extrêmement fin. On choisit une inclinaison réduite pour le filtre afin que l'épaisseur du film soit considérée comme négligeable. Ainsi, selon une caractéristique préférée du dispositif objet de l'invention, l'inclinaison de ladite fente est comprise entre 5° et 30° par rapport à un plan orthogonal au faisceau lumineux. De préférence, l'inclinaison de ladite fente est comprise entre 10° et 20°. On choisit avantageusement une inclinaison de 15°.

Conformément à un mode de réalisation avantageux du dispositif de mesure selon l'invention, le jeu de filtres comprend au moins trois filtres ayant des valeurs d'absorption différentes, réparties entre 10% et 90%.

Selon une caractéristique préférée de l'invention, chaque filtre est étalonné pour sa capacité d'absorption dans une bande de longueurs d'onde centrée sur 665 nm ayant une largeur inférieure à 20 nm (± 10 nm) de préférence une largeur de 10 nm (± 5 nm). Cette bande de largeur réduite permet d'obtenir une calibration exacte et reproductible.

De manière complémentaire pour affiner encore la précision de la mesure, selon une autre caractéristique préférée de l'invention, les moyens de réception sont eux-mêmes dotés d'un filtre optique fixe définissant une fenêtre de transmission centrée sur 665 nm et ayant une largueur inférieure à 20 nm. La fenêtre de transmission a de préférence une largeur de 10 nm. Ces dispositions présentent l'avantage d'alléger les critères de choix pour l'émetteur (généralement une LED émettrice), ainsi que les critères de choix pour le récepteur. Comme déjà indiqué, les moyens d'émission et de réception sont placés à la première extrémité l'enceinte. Ceux-ci peuvent être confondus en un dispositif émetteur-récepteur intégré. Cependant un tel dispositif intégré est cher et délicat à mettre en oeuvre d'un point de vue technique. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, ils peuvent aussi être séparés, ce qui a l'avantage d'être moins onéreux, à condition de surmonter un certain nombre de difficultés de conception et d'agencement spatial. La présente invention offre une solution de construction simple et bon marché, avec utilisation d'un miroir plan comme élément réfléchissant à la seconde extrémité de l'enceinte. Dans ce contexte, est proposé une disposition de la première zone terminale de l'enceinte, laquelle est conformée en caisson comportant des parois orthogonales entre elles, dans laquelle on trouve les moyens d'émission et de réception sur deux parois différentes, ainsi qu'une lame séparatrice qui est placée dans un plan incliné sur le trajet du faisceau lumineux.

Les lames séparatrices sont des objets connus en optique, qui filtrent une partie du faisceau incident, et en réfléchissent une autre partie, dans un rapport constant. De manière originale, la lame remplit ici sa fonction séparatrice aussi bien dans le sens directe que dans le sens retour du faisceau.

C'est pourquoi, dans un mode de réalisation intéressant, le dispositif de mesure selon l'invention comprend à sa première extrémité une lame séparatrice, placée sur le trajet du faisceau lumineux, apte à séparer ledit faisceau en une fraction transmise et une fraction déviée d'intensités relatives fixes, dans le sens direct et dans le sens retour.

De manière avantageuse, dans le dispositif de mesure selon l'invention, ladite lame séparatrice et lesdits moyens de réception ont une position relative telle que la fraction déviée du faisceau retour est orientée vers lesdits moyens de réception. De manière commode, la lame séparatrice qui est placée dans un plan orienté à 45° par rapport auxdites deux parois sur lesquelles sont montés respectivement l'émetteur et de récepteur. Par exemple, dans un dispositif de mesure selon l'invention, les moyens d'émission et de réception sont disposés dans un caisson ménagé à la première extrémité de l'enceinte, sur deux parois dudit caisson orientées selon des plans perpendiculaires, et une lame séparatrice est placée dans un plan orienté à 45° par rapport auxdites deux parois sur la trajectoire directe et sur la trajectoire retour du faisceau lumineux, de sorte que chacun desdits faisceaux direct et retour est séparé en un faisceau transmis (ft) et un faisceau dévié (fd) d'intensité relative fixe. De cette manière, le faisceau direct émis (FD) est en partie transmis vers le miroir, et en partie dévié dans une première direction, puis le faisceau retour (FR) réfléchi par le miroir, se divise à son tour en une partie transmise (ft) qui reste dans la direction initiale, celle de l'émetteur et n'a donc pas d'effet, et en une partie déviée (fd) dans une autre direction pointant vers la positon du récepteur. De manière avantageuse également, le dispositif de mesure selon l'invention comprend à sa première extrémité un récepteur de référence placé relativement ladite lame séparatrice de sorte que la fraction déviée du faisceau direct est orientée vers ledit récepteur de référence pour fournir un signal électrique proportionnel à l'intensité du faisceau direct. On peut en effet mettre à profit cette disposition pour réaliser un contrôle de l'intensité du faisceau émis. Pour cela, le caisson comprend un récepteur de référence placé dans l'axe du faisceau direct dévié, et des moyens de transformation de ce dernier en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue. Le rapport d'intensité entre le faisceau transmis et dévié étant constant, commodément 50%, l'intensité reçue par le récepteur de référence est proportionnelle à l'intensité du faisceau direct émis. Ceci permet de vérifier l'état de l'émetteur pour corriger les valeurs d'opacité, ou le remplacer quand c'est nécessaire.

Le dispositif selon l'invention de par son agencement et la coopération des moyens mis en oeuvre permet de s'affranchir au maximum de la réponse spectrale des filtres utilisés, de minimiser l'influence de la lumière ambiante. La mesure est plus robuste à l'influence de la lumière ambiante. Ce faisant, il allège les critères techniques pour le choix tant de l'émetteur que du récepteur (les critères de choix sont moins pénalisants). Le dispositif ainsi conçu permet d'améliorer nettement la précision en mesure statique. Il trouve son utilisation dans les centres de contrôle technique des véhicules automobiles, lors du contrôle des polluants émis, ainsi que dans les garages ou en station-service, en France et à l'étranger. Il est particulièrement adapté pour réaliser des mesures d'opacité de gaz d'échappement d'un moteur thermique, quel que soit le type de moteur, et le niveau d'émission de particules qu'il produit, avec une précision améliorée, répondant aux réglementations les plus récentes.

C'est pourquoi est également objet de la présente invention, un procédé de mesure de l'opacité d'un gaz d'échappement d'un moteur thermique, dans lequel : a) on fait circuler ledit gaz d'échappement dans l'enceinte d'un dispositif de mesure tel que décrit ci-dessus, de longueur Le déterminée, fermée à ses extrémités, présentant un conduit d'entrée et au moins un conduit de sortie pour la circulation dudit gaz dans 25 l'enceinte, b) on émet un faisceau lumineux à travers l'enceinte dans sa longueur depuis des moyens d'émission jusqu'à des moyens de réception, c) on transforme le faisceau reçu par les moyens de réception en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue, et 30 d) on calcule la valeur d'opacité correspondante, le procédé étant caractérisé en ce que, à l'étape b) le faisceau lumineux est émis à une première extrémité de l'enceinte, il est réfléchi par des moyens de réflexion placés à la seconde extrémité de l'enceinte perpendiculairement audit faisceau, vers ladite première extrémité, de sorte que le faisceau lumineux traverse deux fois l'enceinte dans un sens 35 direct et dans un sens retour, selon une même trajectoire, avant d'atteindre lesdits moyens de réflexion. Pour la mesure d'opacité, le principe de mesure est le suivant : on fait passer un faisceau lumineux (émetteur pointant sur le récepteur et à distance constante entre les deux) à travers un échantillon de gaz. La proportion de lumière incidente qui atteint le récepteur est inversement proportionnelle au taux de particules en suspension dans le gaz. Lors de la calibration préalable à l'emploi du dispositif, on retient le protocole suivant, qui est tout particulièrement adapté à sa conformation, avec un niveau de performance inégalé. Ainsi, dans le procédé selon l'invention, on réalise de préférence, avant l'étape a), une calibration comprenant les actions consistant à : i) purger l'enceinte avec de l'air ambiant, ii) installer un filtre optique caractérisé en absorption sur le trajet du faisceau lumineux, avec une inclinaison non nulle par rapport à un plan orthogonal audit faisceau lumineux, iii) émettre le faisceau lumineux à travers l'enceinte dans sa longueur depuis lesdits moyens d'émission jusqu'aux dits moyens de réception, iv) relever l'intensité lumineuse reçue par lesdits moyens de réception, calculer la valeur d'opacité correspondante, et v) comparer la valeur d'opacité mesurée avec la valeur d'absorption du filtre (pour contrôler l'exactitude de la mesure). Selon l'invention, cette calibration peut en outre comprendre les actions consistant à : - se munir d'un jeu d'au moins trois filtres optiques étalons différents caractérisés en absorption, - répéter les étapes i) à v) avec chacun des filtres, et - vérifier la linéarité de la relation entre les valeurs d'opacité mesurée et les valeurs d'absorption de chaque filtre étalon.

Les filtres sont insérés manuellement, un à un, et la mesure d'opacité est réalisée, puis est traitée à l'aide d'un module particulier d'un logiciel associé à l'appareil, pour la comparaison avec les valeurs certifiées des filtres, préalablement étalonnés. Chaque filtre est en effet caractérisé par une valeur en absorption avec certificat d'étalonnage de l'organisme dédié (COFRAC) à l'appui. Un relevé de mesure correspondant à chaque filtre permet de calculer un écart entre valeur relevée et valeur du certificat d'étalonnage. Ces valeurs pour l'ensemble des filtres permettent de déterminer l'exactitude et la linéarité caractérisant l'équipement.

Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de mesure objet de la présente invention, chaque filtre est préalablement étalonné sur une bande d'ondes centrée sur 665 nm de largeur inférieure à 20 nm. De préférence, la bande d'ondes a une largeur de 10 nm.

Selon une caractéristique préférée de l'invention, le faisceau lumineux est filtré avant d'être reçu par les moyens de réception sur une bande d'ondes centrée sur 665 nm, de largeur inférieure à 20 nm, de préférence d'une largeur de 10 nm. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, une fraction du faisceau émis peut être déviée avant de pénétrer dans l'enceinte, vers un récepteur de référence relié à des moyens de contrôle des caractéristiques du faisceau émis. Ce type de technologie nous permet de faire une mesure d'opacité en % ou en m-1 dans la gamme [0 - 99,9%] ou [0 - 9,9%] avec une résolution de 0,1% m-1 ou 0,001 m-1 (soit 0,001 m-1 si K < 0,50 m-1 et 0,01 m-1 si K > 0,50 m-1). La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, grâce à la description qui va être faite d'une de ses variantes de réalisation, en relation avec les figures annexées, dans lesquelles : La f ig.1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de mesure selon l'invention. Les fig. 2a et 2b sont des vues schématiques en coupe d'un dispositif selon l'invention, montrant le parcours optique du faisceau direct (fig. 2a) et du faisceau retour (fig. 2b). Les fig. 3a, 3b et 3c sont les courbes de réponse optique respectivement d'un émetteur, d'un filtre optique et d'un récepteur.

La fig. 3d représente la fenêtre d'étalonnage d'un filtre classique et d'un filtre selon l'invention. EXEMPLE 1 : Dispositif de mesure d'opacité Sur la fig.1, on a représenté un dispositif de mesure de l'opacité d'un gaz d'échappement d'un véhicule automobile à moteur thermique. Il comprend l'enceinte 1 à paroi tubulaire de longueur Le déterminée et fixe. La paroi tubulaire 11 peut avoir une section droite quelconque mais est plus commodément circulaire. L'enceinte 1 est fermée à ses extrémités 14, 15 par des cloisons d'extrémité. L'enceinte est munie à sa première extrémité 14 d'un moyen d'émission 5 d'un faisceau lumineux et d'un moyen de réception 6 du faisceau lumineux à la fin de son trajet optique, qui sont ici confondus en un dispositif émetteur-récepteur intégré (fig.1). Comme il sera décrit plus loin, on peut utiliser un émetteur et un récepteur distincts (fig. 2). Le récepteur est relié à un circuit électrique qui transmets le signal reçu, proportionnel à l'intensité lumineuse, à une unité apte à transformer le signal électrique en une valeur quantitative de l'opacité et de là une valeur de la teneur en particules solides. Un miroir plan 7 est disposé à la seconde extrémité 15 de l'enceinte 1, de sorte que le faisceau lumineux émis traverse deux fois l'enceinte, selon la trajectoire directe FD puis une trajectoire retour FR, avant d'atteindre le récepteur. Le faisceau lumineux a la même trajectoire à travers la chambre de mesure dans le sens direct et dans le sens retour. L'enceinte 1 présente un conduit d'entrée 3 qui est relié à la ligne d'échappement pendant le fonctionnement du dispositif, et deux conduits de sortie 4, par lesquels le gaz d'échappement est évacué. Une prise d'air 8 est ménagée dans le prolongement de chaque conduit de sortie 4. Chacune d'elle est munie d'un ventilateur 9 qui pulse de l'air ambiant vers l'enceinte et vers les conduits de sortie 4. On crée ainsi un flux gazeux traversant l'enceinte 1 perpendiculairement à son axe entre une prise d'air 8 et le conduit de sortie en regard, par écoulement laminaire et qui entraîne le gaz d'échappement vers la sortie. Cet écoulement est stable de sorte que les gaz s'écoulent dans une chambre de mesure virtuelle de longueur effective Lc constante et définie par la limite 22 des deux flux laminaires. La longueur de gaz traversée par le faisceau lumineux pour la mesure d'opacité est donc de deux fois la longueur Lc. L'enceinte comporte ainsi à ses première et seconde extrémités 14, 15, respectivement une première et une seconde zones terminales 24, 25, dans lesquelles le gaz d'échappement ne se répand pas. Par conséquent, le miroir plan 7, disposé à la seconde extrémité 15 de l'enceinte 1, reçoit le faisceau lumineux, sans être au contact des gaz. Il en va de même des éléments optiques (émetteur et récepteur notamment) placés dans la première zone à la première extrémité de l'enceinte.

L'enceinte est doté d'une fente 30 permettant d'insérer sur la trajectoire du faisceau lumineux, un filtre optique 31 pris dans un jeu de filtres étalons. Chaque filtre appartenant au jeu de filtres est traité par un film en surface qui lui confère une opacité (donc un coefficient de transmission) prédéterminée. La fente 30 a une inclinaison de 15° par rapport à un plan orthogonal au faisceau lumineux, de sorte que la fraction de lumière réfléchie par le filtre 31 est renvoyée vers la paroi 11 de l'enceinte 1, laquelle est revêtue d'une substance absorbante. Cet angle est suffisamment faible pour que l'épaisseur du film de surface du filtre, soit considérée comme identique à l'épaisseur traversée quand l'inclinaison est nulle. Les critères d'étalonnage des filtres sont décrits plus loin. EXEMPLE 2 : Dispositif avec émetteur et récepteur séparés Dans cet exemple, les moyens d'émission 5 et de réception 6 sont disposés dans un caisson 18 ménagé à la première extrémité 14 de l'enceinte 1 sur deux parois dudit caisson orientées selon des plans perpendiculaires. L'émetteur 5 est placé dans l'axe principal de l'enceinte sur la paroi formant la cloison extrême 14, tandis que le récepteur est placé sur une première paroi latérale 19. Dans le caisson 18, se trouve une lame séparatrice 17 orientée à 45° par rapport aux deux parois, sur la trajectoire directe (FD) et sur la trajectoire retour (FR) du faisceau lumineux. Un récepteur de référence 16 est placé sur une seconde paroi latérale 20, opposée à la paroi 19 où se trouve de récepteur 6. Le faisceau direct émis (FD) est en partie transmis vers le miroir FD(ft) à travers la chambre de mesure, et en partie dévié dans une première direction FD(fd) où il va frapper récepteur de référence 16. Puis le faisceau retour (FR) réfléchi par le miroir à travers la chambre de mesure, et se divise à son tour en une partie transmise FR(ft) qui reste dans la direction initiale qui est celle de l'émetteur et n'a donc pas d'effet, et en une partie déviée FR(fd) à angle droit vers le récepteur 6. Ce montage simple et peu onéreux ne nécessite pas de réglages complexes. Etant situé dans la zone terminale, il est en outre à l'abri des fumées. In fine, il est très précis, fiable et durable. EXEMPLE 3 : Etalonnage des filtres Les filtres 31 sont des filtres optiques étalonnés, caractérisés en absorption. L'étalonnage est usuellement réalisé par un organisme agréé. Les filtres sont habituellement caractérisés de 540 nm à 590 nm. En pratique, la valeur de transmission est obtenue par calcul de la moyenne de sept valeurs relevées entre 550 nm et 580 nm. La réponse optique du système dépend des trois éléments en jeu : émetteur, récepteur et filtre. Le Fig. 3b montre que la réponse du filtre n'est pas constante sur cette fenêtre de mesure, au regard des spectres de l'émetteur et du récepteur (fig.3a et 3c). Par conséquent, la réponse du récepteur à l'exposition de l'émetteur au travers de cette fenêtre ne peut que donner une réponse non linéaire et non stable.

La solution retenue revient à travailler, non plus sur une bande de fréquence de 60 nm du point de vue filtre et de la réponse du récepteur, mais sur un point dans cette fenêtre centrée sur la longueur d'onde du vert +/- 5nm. La réponse du filtre peut à ce moment être considérée comme linéaire (fig. 3d) Dans le présent exemple, on a étalonné trois filtres F1, F2 et F3, pour un parcours optique de 0,215 mètre, ayant une opacité répartie entre 22% et 61% (valeur moyenne sur sept relevés) : Filtre 1 Filtre 2 Filtre 3 Valeur du certificat 22 % 1,16 /m 33 % 1,86 /m 61 % 4,38 /m d'étalonnage en absorption (L = 0,215) (L = 0,215) (L = 0,215) EXEMPLE 3 : Calibration du dispositif L'appareil décrit aux exemples 1 et 2 est préalablement soumis à une vérification ou étalonnage, à l'aide de filtres. On se munit du jeu de trois filtres F1, F2 et F3, étalonnés comme décrit à l'exemple précédent. On purge l'enceinte 1 avec de l'air ambiant, on installe un des filtres optiques étalonnés 31 sur le trajet du faisceau lumineux, en l'introduisant dans la fente 30 inclinée à 15° par rapport à un plan orthogonal audit faisceau lumineux. On émet le faisceau lumineux à travers l'enceinte dans sa longueur depuis les moyens d'émission 5 jusqu'au miroir plan 7 avec retour vers le récepteur 6. On relève l'intensité lumineuse reçue par le récepteur 6 et on calcule la valeur d'opacité correspondante.

On répète cette opération avec chacun des filtres F1, F2 et F3. On compare pour chacun la valeur d'opacité mesurée avec la valeur d'absorption du filtre (pour contrôler l'exactitude de la mesure). On trace la courbe de calibration qui est une droite.

Le relevé de mesure correspondant à chaque filtre permet de calculer un écart entre valeur relevée et valeur du certificat d'étalonnage. Ces valeurs pour l'ensemble des filtres permettent de déterminer l'exactitude et la linéarité caractérisant l'équipement. Filtre 1 Filtre 2 Filtre 3 Valeur du certificat 22 % 1,16 /m 33 % 1,86 /m 61 (3/0 4,38 /m d'étalonnage en absorption (L = 0,215) Mesures 1,19 /m 1,86 /m 4,39 /m Ecart (Mesure - valeurs du certificat) El = +0,03 /m E2 = 0,.00 /m E3 = +0,01 /m Exactitude 1E11+1E21+1E31- 0,013 0,15 /m) 3 Linéarité 1Emax-Emin1= 0,03 0,3 /m) Ce type de technologie permet de faire une mesure d'opacité en % ou en m-1 dans la gamme [0 - 99.9%] ou [0 - 9.9%], on obtient une résolution de 0.1% ou 0,001 m-1(0,001 m-1 si K < 0,50 m-1 et 0,01 m-1 si K > 0,50 m-1). La précision est la suivante (pour une concentration par unité de volume déduite du nombre de particules mesuré) : - Précision dynamique : 0,05 m-1 (concentration équivalente : 10 mg/m3) - Précision du zéro : < 0,005 m-1 (concentration équivalente : 1 mg/m3) - Précision statique : 0,5 % (filtre). - Résolution : 0,001 m-1 (0,001%) si K > 0,50 m-1 Ces résultats sont largement plus précis et fiables que ceux obtenus avec les méthodes conventionnelles, pour lesquelles on avait typiquement : - Précision dynamique : 0,15 m-1 - Précision du zéro : < 0,2 (3/0 - Précision statique : < 1 (3/0 - Résolution : 0,01 m-1 si K > 0,50 m-125

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1.- Dispositif de mesure de l'opacité d'un gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, comprenant une enceinte (1) à paroi tubulaire (11) de longueur Le déterminée, fermée à ses extrémités (14, 15), présentant un conduit d'entrée (3) et au moins un conduit de sortie (4) pour la circulation dudit gaz dans l'enceinte, des moyens d'émission (5) d'un faisceau lumineux traversant l'enceinte (1) dans sa longueur, des moyens de réception (6) dudit faisceau lumineux ayant traversé l'enceinte, et des moyens de transformation de celui-ci en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue pour donner une mesure de l'opacité du gaz présent dans l'enceinte, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission et de réception du faisceau lumineux sont disposés à une première extrémité (14) de l'enceinte (1), et des moyens de réflexion (7) placés perpendiculairement audit faisceau sont disposés à une seconde extrémité (15) de l'enceinte (1) de sorte que le faisceau lumineux traverse deux fois l'enceinte selon une même trajectoire, dans un sens direct et dans un sens retour, avant d'atteindre lesdits moyens de réception.
2. 2.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens de calibration comprenant : - un jeu de filtres optiques caractérisés en absorption, et - une fente (30) ménagée dans la paroi (11) de l'enceinte pour installer successivement chaque filtre (31) dudit jeu de filtres sur le trajet du faisceau lumineux, avec une inclinaison non nulle par rapport à un plan orthogonal au faisceau lumineux.
3. 3.- Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'inclinaison de la fente (30) est comprise entre 5° et 30° par rapport à un plan orthogonal au faisceau lumineux, de préférence entre 10° et 20°.
4. 4.- Dispositif de mesure selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le jeu de filtres comprend au moins trois filtres ayant des valeurs d'absorption différentes, réparties entre 10% et 90%.
5. 5.- Dispositif de mesure selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chaque filtre (31) est étalonné pour sa capacité d'absorption dans une bande delongueurs d'onde centrée sur 665 nm ayant une largeur inférieure à 20 nm (± 10 nm), de préférence une largeur de 10 nm (± 5 nm).
6. 6.- Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réception (6) sont dotés d'un filtre optique fixe (32) définissant une fenêtre de transmission centrée sur 665 nm et ayant une largueur inférieure à 20 nm (± 10 nm), de préférence une largeur de 10 nm (± 5 nm).
7. 7.- Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend à sa première extrémité (14) une lame séparatrice (17), placée sur le trajet du faisceau lumineux, apte à séparer ledit faisceau en une fraction transmise (ft) et une fraction déviée (fd) d'intensités relatives fixes, dans le sens direct et dans le sens retour.
8. 8.- Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la lame séparatrice (17) et les moyens de réception (6) ont une position relative telle que la fraction déviée (fd) du faisceau retour est orientée vers lesdits moyens de réception.
9. 9.- Dispositif de mesure selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comprend à sa première extrémité (14) un récepteur de référence (16) placé relativement à la lame séparatrice (17) de sorte que la fraction déviée (fd) du faisceau direct est orientée vers ledit récepteur de référence pour fournir un signal électrique proportionnel à l'intensité du faisceau direct.
10. 10.- Procédé de mesure de l'opacité d'un gaz d'échappement d'un moteur thermique, dans lequel : a) on fait circuler ledit gaz d'échappement dans l'enceinte (1) d'un dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, de longueur Le déterminée, fermée à ses extrémités (14, 15), présentant un conduit d'entrée (3) et au moins un conduit de sortie (4) pour la circulation dudit gaz dans l'enceinte, b) on émet un faisceau lumineux à travers l'enceinte (1) dans sa longueur depuis des moyens d'émission (5) jusqu'à des moyens de réception (6), c) on transforme le faisceau reçu par les moyens de réception (6) en un signal électrique proportionnel à l'intensité lumineuse reçue, et d) on calcule la valeur d'opacité correspondante,le procédé étant caractérisé en ce que à l'étape b) le faisceau lumineux est émis à une première extrémité (14) de l'enceinte (1), il est réfléchi par des moyens de réflexion (7) placés à la seconde extrémité (15) de l'enceinte perpendiculairement audit faisceau, vers ladite première extrémité, de sorte que le faisceau lumineux traverse deux fois l'enceinte dans un sens direct et dans un sens retour, selon une même trajectoire, avant d'atteindre lesdits moyens de réflexion.
11. 11.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on réalise, avant l'étape a), une calibration comprenant les actions consistant à : vi) purger l'enceinte (1) avec de l'air ambiant, vii) installer un filtre optique (31) caractérisé en absorption sur le trajet du faisceau lumineux, avec une inclinaison non nulle par rapport à un plan orthogonal audit faisceau lumineux, viii) émettre le faisceau lumineux à travers l'enceinte (1) dans sa longueur depuis lesdits moyens d'émission jusqu'aux dits moyens de réception, ix) relever l'intensité lumineuse reçue par lesdits moyens de réception, calculer la valeur d'opacité correspondante, et x) comparer la valeur d'opacité mesurée avec la valeur d'absorption du filtre étalon (pour contrôler l'exactitude de la mesure). 20
12. 12.- Procédé de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite calibration comprend les actions consistant à : - se munir d'un jeu d'au moins trois filtres optiques (31) différents caractérisés en absorption, 25 - répéter les étapes i) à v) avec chacun desdits filtres, et - vérifier la linéarité de la relation entre les valeurs d'opacité mesurée et les valeurs d'absorption de chaque filtre (31).
13. 13.- Procédé de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce que 30 chaque filtre (31) est préalablement étalonné sur une bande d'ondes centrée sur 665 nm, de largeur inférieure à 20 nm, de préférence d'une largeur de 10 nm.
14. 14.- Procédé de mesure selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le faisceau lumineux est filtré avant d'être reçu par les moyens de réception sur unebande d'ondes centrée sur 665 nm, de largeur inférieure à 20 nm (± 10 nm), de préférence d'une largeur de 10 nm (± 5 nm).
15. 15.- Procédé de mesure selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que à l'étape b), une fraction du faisceau direct émis est déviée avant de pénétrer dans l'enceinte (1), vers un récepteur de référence (16) relié à des moyens de contrôle des caractéristiques du faisceau émis.