Dispositif photo électrique détecteur de rosée ou de givre à grande sensibilité
La présente invention concerne un dispositif photoélectrique détecteur de rosée, ou de givre, à grande sensibilité, utilisable notamment dans un analyseur de gaz à condensation dont il constitue l'ólé- ment sensible. Ce dispositif est également utilisable, par exemple, dans un hygromètre à point de rosée.
On sait que les détecteurs photoélectriques de rosée ou de givre peuvent être classés en deux catégories, suivant les dispositions relatives de la source lumineuse et du récepteur photoélectrique par rapport au miroir sur lequel se dépose la rosée ou le givre.
Dans une première catégorie, le faisceau lumineux émis par la source est réfléchi par le miroir, en l'absence de rosée, vers la cellule photoélectrique, et la paroi de l'enceinte de mesure à l'intérieur de laquelle, on fait circuler le gaz à analyser ne reçoit, en principe, aucun flux lumineux. Dès que la rosée apparaît sur le miroir, une brusque augmentation de la diffusion de celuici se produit. Le flux lumineux reçu par la cellule photoélectrique diminue, sans toutefois s'annuler complètement, tandis que le flux lumineux reçu par la paroi augmente.
Dans cette catégorie d'appareils, la sensibilité du dispositif, proportionnelle au rapport entre les flux énergétiques reçus par la cellule avant et après la rosée, est limitée en raison de l'imperfection du miroir et du flux diffusé encore reçu par la cellule après l'apparition de la rosée.
Dans une seconde catégorie d'appareils, le rayon réfléchi par le miroir, en l'absence de rosée, ne tombe pas sur la cellule photoélectrique et est absorbé par les parois de l'enceinte de mesure, de sorte que la cellule ne reçoit que le flux diffusé résiduel dû aux imperfections de polissage du miroir. Dès l'apparition de la rosée sur le miroir, il se produit une brusque augmentation de la diffusion de ce dernier, et le flux lumineux diffusé reçu par la cellule augmente alors considérablement. La sensibilité du dispositif, dans ce cas proportionnelle au rapport des flux énergétiques reçus par la cellule après et avant rosée, est bien supérieure à celle des appareils de la première catégorie. En particulier, le flux énergétique résiduel ne dépend que de l'état de polissage du miroir et de la géométrie du dispositif, facteurs sur lesquels il est possible d'agir systématiquement.
De plus, les propriétés diffusantes du condensat n'entrent pas en ligne de compte.
L'invention a pour objet un dispositif détecteur appartenant à cette dernière catégorie, dans lequel les dispositions géométriques relatives des éléments sont telles que la sensibilité du détecteur soit nettement augmentée.
Le dispositif détecteur, suivant l'invention, comportant une source lumineuse, un miroir refroidi sur lequel la rosée ou le givre sont destinés à se former, et un récepteur photoélectrique, est caractérisé en ce que, d'une part, le miroir est éclairé par la source lumineuse sous incidence normale, et que d'autre part, le récepteur photo électrique présente une forme géométrique de révolution coaxiale au faisceau lumineux incident.
Grâce à ces dispositions géométriques caractéristiques, il est ainsi possible d'obtenir une très large augmentation de la sensibilité du détecteur, due au fait que: a) En l'absence de rosée ou de givre, le flux lumi
neux reçu par la cellule photoélectrique peut être
rendu aussi faible que possible, et nul à la limite,
en choisissant judicieusement les paramètres géo
métriques du dispositif et en utilisant un miroir
dont le polissage à été effectué avec le plus grand
soin. b) A l'apparition de la rosée ou du givre sur le
miroir, le flux lumineux diffusé par celui-ci peut
être reçu presque intégralement par la cellule
photoélectrique, par un choix approprié de sa
forme.
D'autres avantages résultant de ces dispositions seront décrits ultérieurement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution particulière de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique.
Les fig. 2 et 3 sont des variantes de réalisation.
Sur la fig. 1, qui représente une forme de réalisation préférée, 1 est une source lumineuse, émettant une lumière blanche ou monochromatique, qui éclaire sous incidence normale, un miroir métallique 2 convenablement poli, suivant un faisceau d'axe 10. Un diaphragme 3 qui joue le rôle de collimateur est réalisé de préférence sous la forme d'un cylindre coaxial et prolonge la boîte à lumière 4 renfermant la source 1. 8 est un piège à lumière de forme également cylindrique solidaire du cylindre 3, destiné à absorber la lumière réfléchie par le miroir en l'absence de rosée. 5 est la cellule photoélectrique, généralement photorésistante, dont la surface est de révolution autour de l'axe 10, et qui suivant cette forme de réalisation est de forme hémisphérique.
Un orifice est prévu pour le passage des cylindres 3 et 8, et la concavité de la demi-sphère est tournée vers le miroir qui est sensiblement disposé au centre dans un plan méridien, de manière que la quasi-totalité du flux lumineux diffusé par le miroir recouvert de rosée soit recueillie par la cellule. 6 représente un thermo-couple ou une thermo-résistance permettant de contrôler la température du miroir 2. La surface de ce miroir peut être refroidie, soit spontanément (oas d'un appareil d'alarme), soit artificiellement (cas des hygromètres et des analyseurs à condensation) par des moyens non représentés et indifférents au regard de l'invention, tels que gaz liquéfiés, neige carbonique, détente de Joule-Thomson, effet Peitier, etc.
L'ensemble des éléments précédents est disposé à l'intérieur d'une chambre de mesure 7 dans laquelle circule le gaz à analyser ou à surveiller.
On a désigné par Qt et Q2 les angles solides entre lesquels est contenu le flux diffusé effectivement recueilli par la cellule lorsque le miroir est recouvert de rosée ou de givre.
Pour obtenir le maximum de sensibilité, il y a donc intérêt à réduire le plus possible l'angle Qt qui s'appuie sur la périphérie du piège 8, et on pourrait envisager la suppression de ce piège. Mais le faisceau incident, délimité par le petit cylindre 3 formant canal de lumière, n'est pas rigoureusement parallèle.
Il en résulte que le faisceau réfléchi est lui-même légèrement conique et l'utilisation d'un piège à lumière est en pratique nécessaire. Le flux incident réfléchi sur le miroir en l'absence de rosée est alors absorbé à l'intérieur du canal 3 et du piège 8. Pour accroître l'efficacité d'absorption du faisceau réfléchi, le cylindre 3 est avantageusement taraudé intérieurement de sorte que sa surface hélicoïdale interne permet au faisceau réfléchi de s'y perdre en subissant des réflexions multiples. De plus, le canal 3 et le piège à lumière 8 sont peints intérieurement en noir mat. Dans ces conditions, on voit qu'en l'absence de rosée la cellule 5 reçoit un flux parasite sinon nul, tout au moins extrêmement faible.
Corrélativement, il y a intérêt pour obtenir le maximum de sensibilité à ouvrir l'angle solide QO le plus possible. En effet, lorsqu'il apparaît un condensat sur le miroir, ce dépôt peut être constitué par de fines gouttelettes d'eau liquide ou par de petits cristaux de glace, suivant la température à laquelle se produit la condensation. Dans ces conditions, la forme exacte de l'indicatrice de diffusion en présence de rosée ou de givre est imprévisible quantitativement. On sait que, pour une incidence donnée et, en particulier, pour l'incidence normale, l'indicatrice de diffusion à incidence constante est la surface obtenue comme lieu de l'extrémité des vecteurs portés dans chaque direction de diffusion proportionnellement à l'intensité diffusée dans cette direction.
Il convient donc de prévoir une surface photosensible capable de recueillir le maximum de flux diffusé en tenant compte d'une large incertitude en ce qui concerne la forme de l'indicatrice de diffusion en présence de condensat. Il apparaît alors que la surface photosensible idéale est une demi-sphère, pour laquelle l'angle Q2 est maximum.
La réalisation pratique d'une telle surface est technologiquement réalisable, par exemple par évaporation sous vide de sulfure de plomb, de sulfure de cadmium, ou de sulfure de thallium convenablement dopés.
Cependant, on peut se contenter d'utiliser des surfaces photosensibles de configuration géométrique plus simple, par exemple, en forme de cylindre ou de cône, ou encore de couronne circulaire.
Les fig. 2 et 3, où les mêmes références désignent les mêmes éléments que sur la fig. 1, représentent en variante deux autres formes de réalisation du dispositifs dans lesquelles la cellule photoélectrique 5 est de forme cylindrique (fig. 2) et en forme de couronne circulaire (fig. 3), lesdits cylindre et couronne circulaire étant de révolution autour de l'axe 10 du faisceau incident normal à la surface du miroir, selon les caractéristiques de l'invention.
On voit que dans ces exemples de réalisation la sensibilité est un peu moins bonne que dans le cas de la demi-sphère: dans le cas du cylindre (fig. 2) l'angle Q2 est maximum, mais l'angle Ql a une valeur non négligeable; au contraire dans le cas de la couronne circulaire, l'angle Qt est minimum, mais ran- gle Q2 n'est pas maximum.
Cependant, la dernière disposition de la fig. 3 permet d'adjoindre au dispositif un hublot destiné à l'observation visuelle du miroir, dont l'axe de visée soit par exemple, comme indiqué en 9, situé à 900 environ du rayon incident qui éclaire le miroir, et ceci sans perturbation du dispositif principal.
Outre les avantages résultant de l'augmentation de la sensibilité, tous ces dispositifs présentent d'autres avantages constructifs qui en facilitent la fabrication.
lo) La condition d'incidence normale est plus facile à observer et d'une réalisation plus économique que l'incidence oblique des dispositifs connus.
20) Les cotes de l'appareil ne sont pas critiques, en particulier la distance entre la source lumineuse et le miroir.
Or, du fait que le miroir doit être refroidi, des contractions et des dilatations inévitables se produisent pendant la marche de l'appareil. Celles-ci sont alors sans influence sur le fonctionnement.
Les dispositifs décrits sont applicables à des appareils fonctionnant en alarme pour détecter l'apparition de la rosée ou du givre sur toute surface métallique refroidie spontanément ou artificiellement, sur laquelle la présence de la rosée ou du givre est indésirable, ou révèle une anomalie de fonctionnement, par exemple, la surface refroidie de certains processus physico-chimiques.
High sensitivity photoelectric dew or frost detector
The present invention relates to a photoelectric device for detecting dew, or frost, with high sensitivity, which can be used in particular in a condensing gas analyzer of which it constitutes the sensitive element. This device can also be used, for example, in a dew point hygrometer.
It is known that photoelectric dew or frost detectors can be classified into two categories, depending on the relative arrangements of the light source and of the photoelectric receiver with respect to the mirror on which the dew or frost is deposited.
In a first category, the light beam emitted by the source is reflected by the mirror, in the absence of dew, towards the photoelectric cell, and the wall of the measurement chamber inside which the light is circulated. In principle, the gas to be analyzed receives no luminous flux. As soon as the dew appears on the mirror, a sudden increase in the diffusion of it occurs. The luminous flux received by the photoelectric cell decreases, without however canceling itself completely, while the luminous flux received by the wall increases.
In this category of devices, the sensitivity of the device, proportional to the ratio between the energy flows received by the cell before and after the dew, is limited due to the imperfection of the mirror and the diffused flow still received by the cell after the dew. appearance of dew.
In a second category of devices, the ray reflected by the mirror, in the absence of dew, does not fall on the photoelectric cell and is absorbed by the walls of the measurement chamber, so that the cell receives only the residual diffused flux due to mirror polishing imperfections. As soon as the dew appears on the mirror, there is a sudden increase in the diffusion of the latter, and the diffused luminous flux received by the cell then increases considerably. The sensitivity of the device, in this case proportional to the ratio of the energy flows received by the cell after and before dew, is much higher than that of the devices of the first category. In particular, the residual energy flow depends only on the state of polishing of the mirror and the geometry of the device, factors on which it is possible to act systematically.
In addition, the diffusing properties of the condensate are not taken into account.
The subject of the invention is a detector device belonging to the latter category, in which the relative geometric arrangements of the elements are such that the sensitivity of the detector is markedly increased.
The detector device, according to the invention, comprising a light source, a cooled mirror on which dew or frost are intended to form, and a photoelectric receiver, is characterized in that, on the one hand, the mirror is illuminated by the light source at normal incidence, and that on the other hand, the photoelectric receiver has a geometric shape of revolution coaxial with the incident light beam.
Thanks to these characteristic geometric arrangements, it is thus possible to obtain a very large increase in the sensitivity of the detector, due to the fact that: a) In the absence of dew or frost, the luminous flux
neux received by the photocell can be
made as low as possible, and ultimately zero,
by choosing the geo parameters wisely
device metrics and using a mirror
whose polishing was carried out with the greatest
care. b) When dew or frost appears on the
mirror, the luminous flux emitted by it can
be received almost entirely by the cell
photoelectric, by an appropriate choice of its
form.
Other advantages resulting from these arrangements will be described later.
The appended drawing represents, by way of nonlimiting example, a particular embodiment of the subject of the invention.
Fig. 1 is a schematic view.
Figs. 2 and 3 are variant embodiments.
In fig. 1, which represents a preferred embodiment, 1 is a light source, emitting white or monochromatic light, which illuminates, under normal incidence, a suitably polished metal mirror 2, along a beam of axis 10. A diaphragm 3 which plays the role of The role of collimator is preferably produced in the form of a coaxial cylinder and extends the light box 4 enclosing the source 1. 8 is a light trap of also cylindrical shape integral with the cylinder 3, intended to absorb the light reflected by the light. mirror in the absence of dew. 5 is the photoelectric cell, generally photoresist, the surface of which is of revolution about the axis 10, and which according to this embodiment is hemispherical in shape.
An orifice is provided for the passage of cylinders 3 and 8, and the concavity of the hemisphere faces the mirror which is substantially arranged in the center in a meridian plane, so that almost all of the light flux diffused by the mirror covered with dew is collected by the cell. 6 represents a thermo-couple or a thermo-resistance making it possible to control the temperature of mirror 2. The surface of this mirror can be cooled, either spontaneously (oas an alarm device), or artificially (case of hygrometers and condensation analyzers) by means not shown and indifferent with regard to the invention, such as liquefied gases, carbon dioxide snow, Joule-Thomson expansion, Peitier effect, etc.
All of the above elements are placed inside a measuring chamber 7 in which the gas to be analyzed or monitored circulates.
The solid angles between which is contained the diffused flux actually collected by the cell when the mirror is covered with dew or frost have been designated by Qt and Q2.
To obtain the maximum sensitivity, it is therefore advantageous to reduce as much as possible the angle Qt which rests on the periphery of the trap 8, and it would be possible to envisage eliminating this trap. But the incident beam, delimited by the small cylinder 3 forming the light channel, is not strictly parallel.
As a result, the reflected beam is itself slightly conical and the use of a light trap is in practice necessary. The incident flux reflected on the mirror in the absence of dew is then absorbed inside the channel 3 and the trap 8. To increase the absorption efficiency of the reflected beam, the cylinder 3 is advantageously internally threaded so that its internal helical surface allows the reflected beam to get lost in it by undergoing multiple reflections. In addition, channel 3 and light trap 8 are painted on the inside in matt black. Under these conditions, it can be seen that in the absence of dew, cell 5 receives a parasitic flux, if not zero, at least extremely weak.
Correlatively, there is interest in obtaining the maximum sensitivity to open the solid angle QO as much as possible. In fact, when a condensate appears on the mirror, this deposit may consist of fine droplets of liquid water or of small ice crystals, depending on the temperature at which the condensation occurs. Under these conditions, the exact shape of the diffusion indicator in the presence of dew or frost is quantitatively unpredictable. We know that, for a given incidence and, in particular, for the normal incidence, the constant incidence scattering indicator is the area obtained as the locus of the extremity of the vectors carried in each scattering direction in proportion to the intensity broadcast in that direction.
It is therefore necessary to provide a photosensitive surface capable of collecting the maximum amount of scattered flux, taking into account a large uncertainty as regards the shape of the scattering indicator in the presence of condensate. It then appears that the ideal photosensitive surface is a hemisphere, for which the angle Q2 is maximum.
The practical production of such a surface is technologically feasible, for example by vacuum evaporation of suitably doped lead sulphide, cadmium sulphide, or thallium sulphide.
However, one can be satisfied with using photosensitive surfaces of simpler geometric configuration, for example, in the shape of a cylinder or a cone, or even a circular crown.
Figs. 2 and 3, where the same references designate the same elements as in FIG. 1, show as a variant two other embodiments of the devices in which the photoelectric cell 5 is of cylindrical shape (fig. 2) and in the form of a circular crown (fig. 3), said cylinder and circular crown being of revolution around the 'axis 10 of the incident beam normal to the mirror surface, according to the characteristics of the invention.
We see that in these embodiments, the sensitivity is a little less good than in the case of the hemisphere: in the case of the cylinder (fig. 2) the angle Q2 is maximum, but the angle Ql has a value not insignificant; on the contrary in the case of the circular crown, the angle Qt is minimum, but the range Q2 is not maximum.
However, the last arrangement of FIG. 3 makes it possible to add to the device a window intended for the visual observation of the mirror, the sighting axis of which is for example, as indicated at 9, located at approximately 900 from the incident ray which illuminates the mirror, and this without disturbing the main device.
In addition to the advantages resulting from the increase in sensitivity, all these devices have other constructive advantages which facilitate their manufacture.
lo) The condition of normal incidence is easier to observe and more economical to produce than the oblique incidence of known devices.
20) The dimensions of the device are not critical, in particular the distance between the light source and the mirror.
However, because the mirror must be cooled, inevitable contractions and expansions occur while the device is in operation. These then have no influence on the operation.
The devices described are applicable to devices operating in alarm mode to detect the appearance of dew or frost on any metallic surface cooled spontaneously or artificially, on which the presence of dew or frost is undesirable, or reveals an operating anomaly. , for example, the cooled surface of certain physicochemical processes.