FR2743885A1 - High sensitivity flame spectrometer optical focusing system for gas composition analysis - Google Patents
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Abstract
Description
OPTIOUE FOCALISATRICE D'UN SPECTROPHOTOMETRE DE FLAMME. FOCUSING OPTIOUS OF A FLAME SPECTROPHOTOMETER.
La présente invention concerne un spectrophotomètre de flamme à haute sensibilité, utilisable pour l'analyse d'une composition gazeuse contenant plusieurs éléments recherchés tels que du soufre et du phosphore.The present invention relates to a high sensitivity flame spectrophotometer which can be used for the analysis of a gaseous composition containing several sought-after elements such as sulfur and phosphorus.
Habituellement, un spectrophotomètre de flamme se compose d'un brûleur dans lequel on provoque la combustion d'un mélange gazeux comprenant un courant de gaz à analyser (par exemple de l'air) et un courant d'hydrogène, ou autre comburant, de manière à réaliser une flamme dont les émissions lumineuses sont décomposables en un spectre lumineux dont l'analyse des raies permet de déterminer la nature et la concentration des éléments recherchés.Usually, a flame spectrophotometer consists of a burner in which the combustion of a gaseous mixture comprising a stream of gas to be analyzed (for example air) and a stream of hydrogen, or other oxidant, is caused. so as to produce a flame whose light emissions are decomposable into a light spectrum whose analysis of the lines makes it possible to determine the nature and the concentration of the elements sought.
Cette décomposition des émissions lumineuses s'effectue dans un spectrophotomètre pouvant faire intervenir - des filtres interférentiels mobiles défilant devant un
détecteur optoélectronique sur lequel le rayonnement
lumineux est focalisé, - un filtre interférentiel statique dont le pouvoir
filtrant varie continûment en fonction de la longueur
d'onde, ce filtre étant associé à une barrette de
détecteurs (photodiodes), ou bien - une optique dispersive (prisme ou réseau) permettant de
décomposer la lumière en un spectre lumineux détectable
par un système de détection optoélectronique mobile ou
fize, - un interféromètre, associé à un circuit de traitaient
effectuant une transformation de Fourier.This breakdown of light emissions is carried out in a spectrophotometer which can involve - mobile interference filters scrolling past a
optoelectronic detector on which the radiation
is focused, - a static interference filter whose power
filter varies continuously depending on the length
wave, this filter being associated with a strip of
detectors (photodiodes), or - a dispersive optic (prism or network) allowing to
decompose light into a detectable light spectrum
by a mobile optoelectronic detection system or
fize, - an interferometer, associated with a processing circuit
performing a Fourier transformation.
Dans le but d'augmenter la sensibilite des spectrophotoctètres de flamme, on a été amené a utiliser des chambres de combustion tubulaires (flamme manchonnee), habituellement cylindriques, disposées coaxialement å l'optique d'entrée du spectrophotomètre.In order to increase the sensitivity of flame spectrophotocteters, it was necessary to use tubular combustion chambers (sleeved flame), usually cylindrical, arranged coaxially with the spectrophotometer input optics.
Il s'avère que cette disposition qui est préférable aux solutions consistant à axer 1 'optique du spectrophotolétre perpendiculairement à l'axe de la chambre de combustion, présente néanmoins l'inconvénient d'observer la totalite de la flamine et d'obtenir à la sortie du ou des détecteurs, un signal présentant un niveau de bruit élevé.It turns out that this arrangement, which is preferable to the solutions consisting in focusing the optics of the spectrophotometer perpendicular to the axis of the combustion chamber, nevertheless has the drawback of observing the totality of the flamine and of obtaining output of the detector (s), a signal having a high noise level.
Ceci resulte du fait que la flamme engendre par la combustion est formée de deux parties, à savoir un dard relativement éclairant et un panache dans lequel se trouvent localises des zones d'émission lumineuses caractéristiques des éléments que l'on veut détecter.This results from the fact that the flame generated by combustion is formed of two parts, namely a relatively illuminating dart and a plume in which are located light emission zones characteristic of the elements that one wants to detect.
En conséquence, le spectre obtenu en focalisant l'émission lumineuse de la flamme à l'entrée d'un spectrophotomètre est en grande partie perturbé par l'émission lumineuse engendrée par le dard. Le spectre se présente alors sous la forme d'un continuum duquel émergent les raies caractéristiques des composants recherchés.Consequently, the spectrum obtained by focusing the light emission of the flame at the input of a spectrophotometer is largely disturbed by the light emission generated by the dart. The spectrum is then presented in the form of a continuum from which the characteristic lines of the sought-after components emerge.
La présence de ce continuum implique l'utilisation de moyens de filtrage complexes et rend particulièrement difficile l'amplification du signal de détection délivré par les détecteurs optoélectroniques du spectrophotomètre, au niveau requis pour l'obtention d'une bonne sensibilité. The presence of this continuum implies the use of complex filtering means and makes it particularly difficult to amplify the detection signal delivered by the optoelectronic detectors of the spectrophotometer, to the level required for obtaining good sensitivity.
Ce problème se manifeste tout particulièrement dans le cas où, en raison de la faiblesse du signal lumineux détecté, il est necessaire d'utiliser des photointensificateurs, par exemple des photomultiplicateurs. En effet, dans ce cas, la détection du continuum provoque une augmentation du bruit du photomultiplicateur, ce qui dégrade les performances du montage.This problem manifests itself particularly in the case where, due to the weakness of the detected light signal, it is necessary to use photointensifiers, for example photomultipliers. Indeed, in this case, the detection of the continuum causes an increase in the noise of the photomultiplier, which degrades the performance of the assembly.
L'invention a donc plus particulièrement pour but de résoudre ce problème.The invention therefore more particularly aims to solve this problem.
A cet effet, elle propose un spectrophotomètre de flamme comprenant un brûleur présentant une chambre de combustion tubulaire, dans l'aie de laquelle se propage la flamme a analyser, cette chambre étant située dans 1 'axe d'une fenêtre coaxiale équipée d'une optique focalisatrice de manière à focaliser le rayonnement lumineux produit par la flamme sur l'orifice d'entrée d'un montage spectrophotomètrique pouvant utiliser des moyens de photointensi fication. To this end, it offers a flame spectrophotometer comprising a burner having a tubular combustion chamber, in the area of which the flame to be analyzed is propagated, this chamber being situated in the axis of a coaxial window equipped with a focusing optics so as to focus the light radiation produced by the flame on the entry orifice of a spectrophotometric assembly which can use photointensification means.
Selon l'invention, ce spectrophotomètre est plus particulièrement caractérisé en ce que la susdite optique focalisatrice est conçue de manière à projeter l'image du dard de la flamme dans une zone située en amont de l'orifice d'entrée du montage spectrophotométrique et en ce qu'il comprend un masque de section sensiblement égale à celle de ladite image, disposé dans ladite zone pour occulter le rayonnement émis par le dard de manière a ce que l'orifice d'entrée du montage spectrophotomètrique ne reçoive pratiquement que le rayonnement émis par le panache de la flamme.According to the invention, this spectrophotometer is more particularly characterized in that the aforesaid focusing optic is designed so as to project the image of the dart of the flame in an area located upstream of the entry orifice of the spectrophotometric assembly and in that it comprises a mask of section substantially equal to that of said image, arranged in said zone to obscure the radiation emitted by the dart so that the entry orifice of the spectrophotometric assembly practically receives only the emitted radiation by the plume of the flame.
Avantageusement, le susdit masque pourra consister en une bille tenue dans la susdite zone au moyen d'un fil. Advantageously, the above mask may consist of a ball held in the above area by means of a wire.
Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-apres, å titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels
La figure l est une représentation schématique d'un
spectrophotomètre de flamme selon l'invention
La figure 2 est un diagramme intensité/fréquence
montrant un spectre présentant un continuum engendre
par le dard de la flamme et un spectre correspondant
obtenu grSce aux dispositions selon l'invention.An embodiment of the invention will be described below, by way of nonlimiting example, with reference to the accompanying drawings in which
Figure l is a schematic representation of a
flame spectrophotometer according to the invention
Figure 2 is an intensity / frequency diagram
showing a spectrum with a continuum generates
by the dart of the flame and a corresponding spectrum
obtained thanks to the arrangements according to the invention.
Dans l'exemple représenté sur la figure l, le spectrophotomètre de flamme fait intervenir un brûleur tubulaire l comprenant deux buses coaxiales 2, 3 de différents diamètres et axialement décalées l'une par rapport à l'autre. Ces deux buses 2, 3 délimitent deux chambres successives, à savoir - une chambre de combustion 4 ouverte d'un côté et referéée
de l'autre côté par un fond 5 traversé coaxialement par
un conduit d'admission de gaz à analyser 6. Cette chambre
4 est par ailleurs reliée à un conduit d'injection
d'hydrogène 7 qui traverse radialement la paroi
longitudinale de la buse 2, - une chambre de stabilisation 8 dans laquelle débouche la
chambre de combustion 4, cette chambre 8 étant refermée
d'un côté sur la buse 2 et de l'autre côté par un
opercule 9 présentant une ouverture circulaire coaxiale
dans laquelle est montée une lentille 10.In the example shown in FIG. 1, the flame spectrophotometer involves a tubular burner l comprising two coaxial nozzles 2, 3 of different diameters and axially offset from one another. These two nozzles 2, 3 define two successive chambers, namely - a combustion chamber 4 open on one side and referenced
on the other side by a bottom 5 crossed coaxially by
a gas inlet duct to be analyzed 6. This chamber
4 is also connected to an injection pipe
of hydrogen 7 which passes radially through the wall
longitudinal of the nozzle 2, - a stabilization chamber 8 into which the
combustion chamber 4, this chamber 8 being closed
on one side on nozzle 2 and on the other side by a
cover 9 having a coaxial circular opening
in which a lens 10 is mounted.
Cette chambre de stabilisation 8 présente un orifice d'échappement latéral raccordé à un circuit d'échappement il muni d'une turbine 12 actionnée par un moteur.This stabilization chamber 8 has a lateral exhaust orifice connected to an exhaust circuit it provided with a turbine 12 actuated by a motor.
La lentille 10 est conçue de manière à focaliser la lumière engendrée par le panache de la flamme qui se propage dans la chambre de combustion 4 sur la fente d'entrée 13 d'un montage spectrophotométrique 14, par exemple de type classique faisant intervenir un élément dispersif 15 (prise, réseau, filtre interférentiel) et un système de détection 16 pouvant comprendre une barrette de photodiodes intensifiées ou un photomultiplicateur reliée å un circuit de traitement 17.The lens 10 is designed so as to focus the light generated by the plume of the flame which propagates in the combustion chamber 4 on the entry slit 13 of a spectrophotometric assembly 14, for example of the conventional type involving an element dispersive 15 (socket, network, interference filter) and a detection system 16 which may include a strip of intensified photodiodes or a photomultiplier connected to a processing circuit 17.
Le fonctionnement de ce spectrophotomètre est alors le suivant
L'ensemble des deux chambres 4 et 8 est mis en depression par la turbine 12 de manière à provoquer une aspiration du gaz a prélever dans le conduit d'admission 6.The operation of this spectrophotometer is then as follows
The assembly of the two chambers 4 and 8 is put under vacuum by the turbine 12 so as to cause an aspiration of the gas to be taken from the intake duct 6.
A 11 intérieur de la buse 2, le flux de gaz aspire se mélange avec le courant d'hydrogène injecté de sorte qu'au sortir du conduit 6, on obtient une combustion engendrant une flamme qui se propage dans la chambre de combustion.Inside the nozzle 2, the flow of aspirated gas mixes with the stream of hydrogen injected so that at the outlet of the pipe 6, combustion is obtained, generating a flame which propagates in the combustion chamber.
Cette flamme comprend un dard 18, de petites dimensions mais relativement lumineux, qui se prolonge par un panache 19 s'étendant sur la quasi totalité de la longueur L de la buse 2.This flame comprises a dart 18, of small dimensions but relatively bright, which is extended by a plume 19 extending over almost the entire length L of the nozzle 2.
Il s'avère que l'émission des rayonnements lumineux caracteristiques des éléments recherchés sont localises dans des zones bien déterminées du panache 19.It turns out that the emission of light rays characteristic of the elements sought are localized in well-defined zones of the plume 19.
Ainsi, notamment, l'émission des rayonnements caractéristiques du phosphore s'effectue dans une région annulaire Z1 située dans la partie médiane L/2 de la chambre de combustion 4.Thus, in particular, the emission of the characteristic radiations of phosphorus takes place in an annular region Z1 situated in the middle part L / 2 of the combustion chamber 4.
Par contre, l'émission des rayonnements caractéristiques du soufre s'effectue dans une zone Z2 de forme ovoïde légèrement décalée vers 1 'avant du brûleur par rapport la zone Z1. On the other hand, the emission of the characteristic radiations of sulfur takes place in a zone Z2 of ovoid shape slightly offset towards the front of the burner with respect to zone Z1.
Compte tenu de ces constatations, pour s'affranchir des rayonnements lumineux engendrés par le dard 18 et donc du continuum, l'invention propose - de régler la lentille 10 de manière à obtenir limage du
dard 18 en amont de la fente 13 et l'image de la partie
médiane du panache 19, au niveau de la fente 13 du
montage spectrophotométrique 14, et - de disposer à l'emplacement de l'image du dard un masque
18' de mème dimension pour interrompre la propagation des
rayons lumineux émis par le dard 18 en direction de la
fente.In view of these observations, to overcome the light radiation generated by the sting 18 and therefore the continuum, the invention proposes - to adjust the lens 10 so as to obtain the image of the
sting 18 upstream of slot 13 and the image of the part
middle of the plume 19, at the level of the slot 13 of the
spectrophotometric assembly 14, and - to have a mask at the location of the image of the dart
18 'of the same dimension to stop the propagation of
light rays emitted by the sting 18 towards the
slot.
Dans cet exemple, le masque 18' est constitué par une bille maintenue en position par un fil 20 dont les extrémités sont solidaires de la structure fixe du spectrophotométre. In this example, the mask 18 ′ consists of a ball held in position by a wire 20, the ends of which are integral with the fixed structure of the spectrophotometer.
Avantageusement, le fil 20 sera monté sur un support 21 axialement reglable en position.Advantageously, the wire 20 will be mounted on a support 21 axially adjustable in position.
La figure 2 montre en traits pleins la forme d'un spectre obtenu sans l'usage du masque précédemment décrit.Figure 2 shows in solid lines the shape of a spectrum obtained without the use of the mask described above.
Ce spectre comprend un continuum de bruit important 22, duquel émergent les raies R1 , R2 ... Rn correspondant aux éléments présents dans la composition gazeuse.This spectrum includes a large noise continuum 22, from which the lines R1, R2 ... Rn emerge corresponding to the elements present in the gas composition.
La courbe en traits interrompus montre le spectre obtenu grâce à la presence du masque 18'.The curve in dashed lines shows the spectrum obtained thanks to the presence of the mask 18 '.
I1 apparaît clairement que ce spectre, dont les pics et les pieds apparaissent nettement, est plus facilement analysable numériquement. It is clear that this spectrum, whose peaks and feet clearly appear, is more easily analyzed numerically.
En outre, l'absence de continuum 22 permet l'utilisation de dispositifs photointensificateurs tels que des photomultiplicateurs au mieux de leurs performances de bruit. In addition, the absence of a continuum 22 allows the use of photo intensifier devices such as photomultipliers to the best of their noise performance.
Claims (3)
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ID=9488350
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| EP3457125A1 (en) | 2017-09-14 | 2019-03-20 | Airsense Analytics GmbH | Device and method for detecting hazardous gases |
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- 1996-01-19 FR FR9600703A patent/FR2743885B1/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2743885B1 (en) | 1998-03-20 |
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