WO2004013600A2 - Detecteur a capteur de rayonnement infrarouge pour la mesure directe d'une production d'un gaz dans l'environnement d'un appareil - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas detection device comprising an infrared radiation sensor.
- detectors are used for detecting small quantities of gas in an environment.
- a first object of the invention is to provide a reliable infrared detector with a low cost price.
- Another object of the invention is to allow its integration on movable combustion appliances of the kerosene stove type and to carry out the detection of a CO 2 level of less than 1% according to the standards in force, and on all other appliances general public, for example for gas heating, ventilation or aeration and air quality control in offices, etc.
- the invention which consists of a detection and measurement device direct from a gas presence or production rate of around 1% or less than 1% in an environment, for example but not limited to the environment of a mobile heating device, device using a microsensor, characterized in that the micro-sensor is an infrared micro-sensor comprising an infrared receiver of the standard thermopile type, and in that it operates on a preferably autonomous DC voltage source.
- the device comprises:
- the invention also relates to a processing method emitted by the infrared receiver and characterized in that it consists of a dynamic and differential measurement of the signal of the infrared emission in combination with a cyclic operation of the detector.
- FIG. 1 block diagram of a detector with infrared sensor according to the invention
- FIG. 2 block diagram of d an alternative embodiment of the detector of FIG. 1
- FIG. 4 schematic representation of the module adaptable to a movable and autonomous liquid fuel stove
- FIG. 5 variant of measurement chamber with parabolic mirror.
- a detector according to the principle of Figure 1 includes a measurement chamber
- An infrared source (5) arranged in the inlet chamber (2) is activated by configurable cycles and emits infrared radiation in all directions and in particular in the measurement chamber (1) through the gases to be analyzed.
- the outlet chamber (3) comprises an infrared receiver (6) equipped on its receiving part with an optical filter (7) specific to the gas analyzed.
- the optical filter (7) makes it possible to select the infrared wavelength characteristic of the absorption peak of the gas which it is desired to measure.
- the choice of the optical filter conditions the type of gas measured and allows on the same technology to design an infrared detector CO 2 or CH4, or SO2 etc.
- the infrared receiver (6) measures the quantity of specific infrared it receives, this quantity is proportional to the quantity of gas sought in the mixture analyzed and the receiver therefore emits a signal accordingly.
- This signal emitted by the receiver (6) is processed by an electronic card (8) which, depending on its parameters, sends an output signal (9).
- the processing carried out is a differential processing which makes it possible to overcome or compensate for any signal instability.
- the output signal (9) can take different forms, for example chosen from the set: - control of a relay or an optocoupler when a predetermined threshold is reached, 0-10 V or 4-20 mA analog signal proportional to the level of gas analyzed, control proportional to the level of gas analyzed.
- the detector (13) according to the invention comprises, as a source of infrared radiation, a conventional incandescent bulb emitting over a very wide spectral band. Using our optical filter allows you to select the desired wavelength. It is therefore not necessary to use an infrared source centered on a wavelength, and a simple bulb is enough. The presence of other wavelengths disturbs the signal but the management of the signal makes it possible to get rid of it.
- the infrared receiver is a standard thermopile widely distributed in the domestic environment. Its principle is to deliver a signal proportional to the energy of the radiations it receives independently of the wavelengths. The integration of the filter allows targeting on a specific wavelength.
- the thermopile is diverted from its primary use and behaves like an infrared receiver of the spectrometer type used for conventional gas detectors. The cost impact is very significant.
- the implementation of signal processing is very specific. Indeed, the use of a standard thermopile, low cost, does not by itself allow to measure the concentration of a gas. The signal is largely too diffuse and the background noise too existing. We had to design a powerful and adapted signal processing to solve this problem. Its principle is based on a cyclic functioning of the detector and on a dynamic and differential measurement of the signal of the infrared emission. Mathematical processing of the results makes it possible to obtain a clean signal, proportional to the level of gas measured in the mixture analyzed. The electronics then allow the output signal to be shaped to the requirements of the users.
- the infrared transmitter is supplied cyclically for a short period of time (a few hundred milliseconds to a few seconds) and therefore emits a flow of cyclic infrared radiation according to a defined period.
- the infrared receiver of thermopile type After optical filtration of an infrared line specific to the desired gas (ex: CO2), the infrared receiver of thermopile type measures the quantity of infrared received. The measurement is carried out by integration of the received signal or differential measurement at several points, within the reach of those skilled in the art. The variation in the calculated level of the signal between the presence or absence of the desired gas is proportional to the rate of this gas present in the mixture of gases measured.
- the design and development of the low-cost infrared gas detector is therefore based on the implementation of standard elements which are not normally combined, on arrangements to be able to use them together, and on a treatment of very specific and innovative signal.
- FIG. 3 schematically shows the detector (13) according to the invention, in its housing (10), and powered by cells or batteries (11) and actuated by an actuator (12) controlled by the detector (13) and making it possible to regulate or stop the device.
- thermopile incandescent lamp
- optical filter optical filter
- electronic processing allows their integration in microelectronic version which is not the case for other spectometers.
- the detector is produced in the form of a micro system (see FIG. 2) in which the entire sensitive part is integrated on a silicon chip.
- the radiation source (5) and the infrared receiver (6) equipped with its optical filter (7) are integrated on a standard support box (10) for micro electronics (T05 for example).
- T05 micro electronics
- the cover chamber of the silicon chip constitutes the measurement chamber because its internal shape is treated in the form of a parabolic mirror allowing a maximum path of the gases for an infrared source such as a receiver placed in the same plane.
- a focusing means of the parabolic mirror type, for concentrating the rays emitted by the emitting bulb and focusing them on the central part of the infrared receiver.
- the invention allows: the installation of a security system using infrared measurement on household products for the general public, for example on transportable stoves in order to control the level of CO 2 in the room where the stove is located, a reliable and repeatable long-term CO 2 measurement in the range
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de détection et de mesure directe d'un taux de présence ou de production d'un gaz, par exemple égal ou inférieur à 1 % dans un environnement, par exemple mais non limitativement dans l'environnement d'un appareil de chauffage mobile, dispositif utilisant un micro-capteur, caractérisé en ce que le micro-capteur à infrarouge comporte un récepteur infra rouge de type thermophile standard. Préférentiellement le dispositif comporte encore une source infrarouge constituée d'une ampoule standard et une carte électronique de traitement du signal émis par le récepteur, et fonctionne sur une source de tension continue autonome de 3V environ.
Description
Détecteur à capteur de rayonnement infrarouge pour la mesure directe d'une production d'un gaz dans l'environnement d'un appareil. i La présente invention concerne un dispositif de détection de gaz comportant un capteur de rayonnements infrarouge.
Plusieurs types de détecteurs sont utilisés pour la détection de gaz en faible quantité dans un environnement.
L'art antérieur connaissait par exemple des dispositifs à mesure indirecte décrits dans les documents US-A-4,493,634 EP-A-0075 602, FR 95 03236. On connaît également le brevet EP 98 470009.6 qui concerne un dispositif de sécurité de coût réduit utilisant un micro capteur de gaz à conductivité thermique, ou un micro capteur catalytique, ou un micro capteur à oxyde semi-conducteur, ou un micro-capteur électrochimique, apte à mesurer directement toute production gazeuse d'un taux inférieur à 1 % dans l'environnement d'un appareil de chauffage mobile.
Ce brevet excluait l'utilisation d'un capteur infra rouge dans un détecteur à mesure directe et pour des produits grand public en raison de son prix trop élevé car il requiert la mise en oeuvre de composants électroniques coûteux. Son utilisation est jusqu'à ce jour réservée aux mesures de laboratoires. Le capteur infrarouge est cependant le plus fiable, le plus polyvalent et le plus stable à long terme et pour certains gaz, il constitue le seul moyen utilisable pour la détection et la mesure.
Un premier but de l'invention est de réaliser un détecteur infra rouge fiable de prix de revient peu élevé. Un autre but de l'invention est de permettre son intégration sur des appareils de combustion déplaçables du type poêle à pétrole et de réaliser la détection d'un taux de CO2 inférieur à 1 % selon les normes en vigueur, et sur tous autres appareils grand public, par exemple pour le chauffage à gaz, le contrôle de ventilation ou d'aération et de qualité d'air dans les bureaux, etc.. Ces buts sont atteints par l'invention qui consiste en un dispositif de détection et de mesure directe d'un taux de présence ou de production d'un gaz d'environ 1% ou inférieur à 1 % dans un environnement, par exemple mais non limitativement dans l'environnement d'un appareil de chauffage mobile, dispositif utilisant un microcapteur, caractérisé en ce que le micro-capteur est un micro capteur à infrarouge comportant un récepteur infra rouge de type thermopile standard, et en ce qu'il fonctionne sur une source de tension continue préférentiellement autonome.
Préférentiellement, le dispositif comporte :
- une chambre de mesure avec à une de ses extrémités une chambre d'entrée et à l'autre extrémité une chambre de sortie, le passage des gaz à analyser étant assuré par diffusion et convection naturelle a l'intérieur de la chambre de mesure, une source infrarouge disposée dans la chambre d'entrée constitué d'une ampoule à incandescence, un récepteur infra rouge constitué d'une thermopile standard, situé dans la chambre de sortie et équipé sur sa partie réceptrice d'un filtre optique spécifique au gaz analysé, ledit récepteur émettant un signal proportionnel à la quantité de gaz recherché, une carte ou puce électronique pour le traitement du signal émis par le récepteur et émettant elle-même un signal de sortie, ledit traitement du signal reposant sur un fonctionnement cyclique du détecteur et sur une mesure dynamique et différentiel du signal de l'émission infrarouge. L'invention porte également sur un procédé de traitement émis par le récepteur infrarouge et caractérisé en ce qu'il consiste en une mesure dynamique et différentielle du signal de l'émission infrarouge en combinaison avec un fonctionnement cyclique du détecteur.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après faite en référence aux figures annexées suivantes : figure 1 : schéma de principe d'un détecteur à capteur infrarouge selon l'invention, - figure 2 : schéma de principe d'une variante de réalisation du détecteur de la figure 1 , figure 4 : représentation schématique du module adaptable sur poêle à combustible liquide déplaçable et autonome, figure 5 : variante de chambre de mesure à miroir parabolique. Un détecteur selon le principe de la figure 1 comporte une chambre de mesure
(1) avec à une de ses extrémités une chambre d'entrée (2) et à l'autre extrémité une chambre de sortie (3).
Le passage des gaz (4) à analyser étant assuré par diffusion et convection naturelle a l'intérieur de la chambre de mesure (1). Une source infrarouge (5) disposée dans la chambre d'entrée (2) est activée par cycles paramétrables et émet des rayonnements infrarouges dans toutes les
directions et en particulier dans la chambre de mesure (1) à travers les gaz à analyser.
La plupart des gaz réagit à une longueur d'onde infrarouge typique dans laquelle les atomes de ce gaz absorbent le rayonnement infrarouge. La chambre de sortie (3) comporte un récepteur infrarouge (6) équipé sur sa partie réceptrice d'un filtre optique (7) spécifique au gaz analysé.
Le filtre optique (7) permet de sélectionner la longueur d'onde infrarouge caractéristique du pic d'absorption du gaz que l'on souhaite mesurer. Le choix du filtre optique conditionne le type de gaz mesuré et permet sur une même technologie de concevoir un détecteur infrarouge CO2 ou CH4, ou SO2 etc..
Le récepteur infrarouge (6) mesure la quantité d'infrarouge spécifique qu'il reçoit, cette quantité est proportionnelle à la quantité de gaz recherché dans le mélange analysé et le récepteur émet donc un signal en conséquence.
Ce signal émis par le récepteur (6) est traité par une carte électronique (8) qui en fonction de ses paramètres envoie un signal de sortie (9).
Le traitement effectué est un traitement différentiel qui permet de s'affranchir ou de compenser une éventuelle instabilité du signal.
Selon l'utilisation qui est faite du détecteur, le signal de sortie (9) peut prendre différentes formes comme par exemple choisies dans l'ensemble : - commande d'un relais ou d'un optocoupleur lorsque l'on atteint un seuil prédéterminé, signal analogique 0-10 V ou 4-20 mA proportionnel au niveau de gaz analysé, commande proportionnelle au niveau de gaz analysé. Selon une première caractéristique le détecteur (13) selon l'invention comporte comme source de rayonnement infrarouge, une ampoule à incandescence classique émettant sur une très large bande spectrale. L'utilisation de notre filtre optique permet de sélectionner la longueur d'onde souhaitée. Il n'est donc pas nécessaire de recourir à une source infrarouge centrée sur une longueur d'onde, et une simple ampoule suffit. La présence des autres longueurs d'onde vient perturber le signal mais la gestion du signal permet de s'en affranchir.
Selon une deuxième caractéristique de l'invention, le récepteur infrarouge est une thermopile standard largement diffusée dans le milieu domestique. Son principe est de délivrer un signal proportionnel à l'énergie des rayonnements qu'elle reçoit indépendamment des longueurs d'ondes. L'intégration du filtre permet de cibler sur une longueur d'onde spécifique. La thermopile est déviée de son utilisation première
et se comporte comme un récepteur infrarouge du type spectromètre utilisé pour les détecteurs de gaz classiques. L'incidence sur les coûts est très importante.
Selon une troisième caractéristique de l'invention la mise en œuvre du traitement du signal est très spécifique. En effet, l'utilisation d'une thermopile standard, bas coût, ne permet pas à elle seule de mesurer la concentration d'un gaz. Le signal est largement trop diffus et les bruits de fond parasitaires trop existants. Nous avons dû concevoir un traitement de signal performant et adapté pour résoudre ce problème. Son principe repose sur un fonctionnement cyclique du détecteur et sur une mesure dynamique et différentielle du signal de l'émission infrarouge. Un traitement mathématique des résultats permet d'obtenir un signal propre, proportionnel au niveau de gaz mesuré dans le mélange analysé. L'électronique permet ensuite de façonner le signal de sortie aux exigences des utilisateurs.
Plus particulièrement l'émetteur infrarouge est alimenté de façon cyclique pendant un cours laps de temps (quelques centaines de millisecondes à quelques secondes) et émet donc un flux de rayonnement infrarouge cyclique selon une période définie.
Après filtration optique d'une raie infrarouge propre au gaz recherché (ex : CO2), le récepteur infrarouge de type thermopile mesure la quantité d'infrarouge reçu. La mesure est réalisée par intégration du signal reçu ou mesure différentielle en plusieurs points, à la portée de l'homme du métier. La variation du niveau calculé du signal entre la présence ou non du gaz recherché est proportionnelle au taux de ce gaz présent dans le mélange de gaz mesuré.
La conception et la mise au point du détecteur de gaz infrarouge à coûts réduits repose par conséquent sur la mise en œuvre d'éléments standards qui ne sont normalement pas combinés entre eux, sur des aménagements pour pouvoir les utiliser ensemble, et sur un traitement de signal très spécifique et innovant.
La combinaison de ces caractéristiques permet de réaliser un capteur de gaz aussi performant et fiable qu'un détecteur de gaz infrarouge classique mais pour un prix de revient 5 à 10 fois moindre.
Egalement, cette combinaison de caractéristiques fonctionne sur une tension continue de 3 V environ, préférentiellement sur une source d'énergie électrique autonome type batterie ou 2 piles de 1 ,5 V environ. Grâce à cela, le capteur selon l'invention peut être installé sur tout appareil déplaçable et autonome, comme par exemple un poêle à combustible liquide mobile. La figure 3 montre schématiquement le détecteur (13) selon l'invention, dans son boîtier (10), et
alimenté par piles ou batteries (11) et actionné par un actionneur (12) commandé par le détecteur (13 ) et permettant de réguler ou d'arrêter l'appareil.
Par ailleurs le choix de cette combinaison de moyens à savoir, lampe à incandescence (filament), thermopile, filtre optique, et traitement électronique, permet leur intégration en version microélectronique ce qui n'est pas le cas des autres spectomètres.
Ainsi, selon une variante de mise en œuvre, le détecteur est réalisé sous forme de micro système (voir figure 2) où toute la partie sensible est intégrée sur une puce silicium. Selon cette variante la source de rayonnement (5) et le récepteur infra rouge (6) équipé de son filtre optique (7) sont intégrés sur un boîtier support standard (10) pour micro électronique (T05 par exemple). Seule la chambre de mesure, nécessaire au passage des gaz et à leur interaction avec les rayonnements infrarouge, est extérieure au micro système. La chambre capot de la puce silicium constitue la chambre de mesure car sa forme intérieure est traitée sous forme d'un miroir parabolique permettant un trajet maximum des gaz pour une source infrarouge tel un récepteur placés dans le même plan.
En variante de réalisation, on peut prévoir (voir figure 4), dans la chambre de mesure, un moyen de focalisation, type miroir parabolique, pour concentrer les rayons émis par l'ampoule-émetteur et les focaliser sur la partie centrale du récepteur infrarouge.
Selon l'un ou l'autre de ses modes de réalisation, l'invention permet : la mise en place d'un système de sécurité utilisant la mesure infrarouge sur des produits domestiques grand public par exemple sur des poêles transportables afin de contrôler le niveau de CO2 dans la pièce où se situe le poêle, une mesure du CO2 fiable et répétable à long terme dans la gamme
0 - 1 % de CO2, conformément aux normes en vigueur, - la réalisation d'un détecteur à basse consommation d'énergie et autonome ce qui le rend apte à être installé sur des appareils non raccordés au secteur. Il fonctionne en effet avec 2 piles de 1.5 V pendant plus de 5 000 heures.
Claims
1. Dispositif de détection et de mesure directe d'un taux de présence ou de production d'un gaz , par exemple inférieur ou égal à 1 % dans un environnement, par exemple mais non limitativement dans l'environnement d'un appareil de chauffage mobile, dispositif utilisant un micro-capteur, caractérisé en ce que le micro-capteur est un micro capteur à infrarouge comportant un récepteur infra rouge de type thermopile standard et fonctionne sur source de tension continue .
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte : une chambre de mesure (1) avec à une de ses extrémités une chambre d'entrée (2) et à l'autre extrémité une chambre de sortie (3), le passage des gaz (4) à analyser étant assuré par diffusion et convection naturelle a l'intérieur de la chambre de mesure (1), - une source infrarouge (5) disposée dans la chambre d'entrée (2) constitué d'une ampoule à incandescence, un récepteur infra rouge (6) constitué d'une thermopile standard, situé dans la chambre de sortie (3) et équipé sur sa partie réceptrice d'un filtre optique (7) spécifique au gaz analysé, ledit récepteur (6) émettant un signal proportionnel à la quantité de gaz recherché,
- une carte ou puce électronique (8) pour le traitement du signal émis par le récepteur et émettant elle-même un signal de sortie (9), ledit traitement du signal reposant sur un fonctionnement cyclique du détecteur et sur une mesure dynamique et différentielle du signal du récepteur infrarouge.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le signal de sortie (9) peut prendre différentes formes choisies dans l'ensemble : (commande d'un relais ou d'un optocoupleur lorsque l'on atteint un seuil prédéterminé, signal analogique proportionnel au niveau de gaz analysé, commande proportionnelle au niveau de gaz analysé).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le détecteur est réalisé sous forme de micro système où toute la partie sensible est intégrée sur une puce silicium.
5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le capot de la puce silicium constitue la chambre de mesure car sa forme intérieure est traitée sous forme de miroir parabolique avec une source infrarouge et un récepteur placés dans un même plan.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre de mesure comporte un moyen de focalisation des rayons émis par l'émetteur.
7. Procédé de traitement du signal émis par le récepteur (6) d'un dispositif de détection selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste en une mesure dynamique et différentielle du signal de l'émission infrarouge en combinaison avec un fonctionnement cyclique du détecteur.
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