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.