FR2756928A1 - Analysing gas mixtures and miniturised apparatus therefor - Google Patents
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Abstract
Description
Procédé et dispositif intégré d'analyse de plusieurs composants contenus
dans un mélange gazeux.Integrated method and device for analyzing several contained components
in a gas mixture.
La présente invention a pour objet un procédé et dispositif intégré d'analyse de plusieurs composants contenus dans un mélange gazeux. The present invention relates to an integrated method and device for analyzing several components contained in a gas mixture.
Le secteur technique de l ' invention est le domaine de la réalisation de systèmes de mesure et de capteurs pour l'analyse de la composition des gaz. The technical sector of the invention is the field of the production of measurement systems and sensors for the analysis of the composition of gases.
L'application principale de l'invention est de pouvoir réaliser un capteur que l'on peut qualifier de multigaz pour surveiller et contrôler l'air ambiant dans lequel nous vivons, afin de détecter, en particulier tout dépassement éventuel de seuils admissibles pour divers composants déterminés tels que pour l'ozone, le gaz carbonique, l'oxyde de soufre, l'oxyde d'azote, etc... The main application of the invention is to be able to produce a sensor which can be described as multigas to monitor and control the ambient air in which we live, in order to detect, in particular any possible overshooting of admissible thresholds for various components determined such as for ozone, carbon dioxide, sulfur oxide, nitrogen oxide, etc ...
Il est connu en effet que des législations de plus en plus nombreuses sont édictées par différents pays dans le monde pour la surveillance de l'air : on peut citer en particulier la loi française du 2 août 1961, (Loi 61 842 complétée par les décrets du 13 mai 1974 N074 415 et du 18 avril 1996 N096 335) qui organise la répression des émissions de gaz dangereux, en particulier toxiques, corrosifs, odorants, radioactifs, etc... ; le décret du 23 mai 1974 définit les polluants, leur niveau et leurs conditions de mesure, tels que : le dioxyde de soufre
S02 dont la moyenne arithmétique des valeurs de taux moyens quotidiens relevés pendant l'année, doit être au maximum de 40 à 60 microgrammes par m3 avec une valeur moyenne sur 24 heures de 100 à 150 microgrammes par m3 maximum ; en ce qui concerne le dioxyde d'azote NO2, la valeur moyenne par heure ou par période inférieure à 1 heure prise sur toute l'année, doit être inférieure à 200 microgrammes par m3 pour un percentile 98 : ce percentile 98 est déterminé dans le décret du 13 mai 1974 cité ci-dessus comme étant la valeur de la mesure prise parmi toutes les mesures relevées pendant l'année et classées par ordre croissant, telle que le nombre des valeurs de mesures inférieures à cette valeur du percentile est égale à 98 % du nombre total de mesures relevées. En ce qui concerne les particules de plomb, la moyenne maximum des valeurs moyennes quotidiennes relevées pendant l'année, 3 doit être inférieure à 80 microgrammes par m avec une valeur moyenne maximum relevée pendant 24 heures de 100 à 150 microgrammes par m
De même, on relève sur le plan européen une directive 70 220 du
Conseil de l'Europe du 20 mars 1970, qui concerne le rapprochement des législations des états membres relatives aux mesures à prendre contre la pollution de l'air par les gaz provenant des moteurs équipant les véhicules et complétée par diverses directives qui ont suivi ; une position commune européenne N05 96, arrêtée également par le Conseil de l'Europe le 30 novembre 1995, concerne l'évaluation et la gestion de la qualité de l'air ambiant, en considérant en particulier la formation de l'ozone (voir également la Directive européenne 92/72/CEE du 21 septembre 1992 concernant la pollution de l'air par l'ozone) et différents polluants atmosphériques tels que l'anhydride sulfureux, le dioxyde d'azote, les particules fines telles que les suies, les particules en suspension, le plomb, le benzène, les hydrocarbures, le monoxyde de carbone, le cadmium, l'arsenic, le nickel, le mercure, etc...It is known indeed that more and more legislation is enacted by different countries in the world for air monitoring: we can cite in particular the French law of August 2, 1961, (Law 61 842 supplemented by decrees of May 13, 1974 N074 415 and of April 18, 1996 N096 335) which organizes the repression of emissions of dangerous gases, in particular toxic, corrosive, odorous, radioactive, etc ...; the decree of May 23, 1974 defines pollutants, their level and their measurement conditions, such as: sulfur dioxide
S02 for which the arithmetic mean of the daily average rate values recorded during the year must be a maximum of 40 to 60 micrograms per m3 with a 24-hour average value of 100 to 150 micrograms per m3 maximum; for nitrogen dioxide NO2, the average value per hour or per period less than 1 hour taken throughout the year, must be less than 200 micrograms per m3 for a 98 percentile: this 98 percentile is determined in the decree of May 13, 1974 cited above as the value of the measurement taken from among all the measurements recorded during the year and classified in ascending order, such that the number of measurement values lower than this value of the percentile is equal to 98 % of the total number of measurements recorded. With regard to lead particles, the maximum average of the daily average values recorded during the year, 3 must be less than 80 micrograms per m with a maximum average value recorded for 24 hours of 100 to 150 micrograms per m
Similarly, there is a European directive 70 220 of the
Council of Europe of 20 March 1970, which concerns the approximation of the laws of the member states relating to the measures to be taken against air pollution by gases from the engines fitted to vehicles and supplemented by various directives which have followed; a common European position N05 96, also adopted by the Council of Europe on 30 November 1995, concerns the assessment and management of ambient air quality, with particular regard to the formation of ozone (see also European Directive 92/72 / EEC of 21 September 1992 on air pollution by ozone) and various atmospheric pollutants such as sulfur dioxide, nitrogen dioxide, fine particles such as soot, suspended particles, lead, benzene, hydrocarbons, carbon monoxide, cadmium, arsenic, nickel, mercury, etc ...
Or, aucun équipement actuel n'est apte à pouvoir satisfaire ces diverses réglementations et/ou directives, même si de nombreux capteurs et instruments existent pour des mesures spécifiques de détection en particulier pour certains risques de pollution, qui correspondent à la même application principale de la présente invention pour la surveillance de l'environnement, on peut noter par exemple la demande de brevet NOFR 2.572.951 publiée le 16 mai 1986, et intitulée Procédé de captation par voie semi-sèche de polluants contenus dans des fumées ; ou encore celui décrit dans la demande NO EP 486.596 publiée le 27 mai 1992 et intitulée Capteur à filament en couches minces autoportées, son procédé de fabrication et ses applications dans la détection de gaz et en chromatographie gazeuse pour déterminer une caractéristique statique ou dynamique d'un milieu environnant ; ou encore les différentes demandes de brevets déposées par les Sociétés allemandes BOSCH GmbH et BROWN BOVERI telles que celles respectivement FR 2.499.720 décrivant une sonde de mesure polarographique pour déterminer la teneur en oxygène des gaz , ou
FR 2.489.521 sur un dispositif comportant un détecteur d'oxygène .However, no current equipment is able to satisfy these various regulations and / or directives, even if many sensors and instruments exist for specific detection measures, in particular for certain pollution risks, which correspond to the same main application of the present invention for the monitoring of the environment, one can note for example the patent application NOFR 2,572,951 published on May 16, 1986, and entitled Method of semi-dry capture of pollutants contained in fumes; or that described in application NO EP 486.596 published on May 27, 1992 and entitled Self-supporting thin film filament sensor, its manufacturing process and its applications in gas detection and gas chromatography to determine a static or dynamic characteristic of a surrounding environment; or the various patent applications filed by the German companies BOSCH GmbH and BROWN BOVERI such as those respectively FR 2,499,720 describing a polarographic measurement probe for determining the oxygen content of the gases, or
FR 2,489,521 on a device comprising an oxygen detector.
Ces divers instruments, comme beaucoup d'autres capteurs existant à ce jour pour la mesure de la concentration de certains composants de mélanges gazeux, permettent certes d'obtenir le relevé et la mesure d'un tel composant que l'on veut surveiller et contrôler, mais ils sont tous assez volumineux, nécessitent des boîtiers électroniques protégés, régulés en température, et ne peuvent pas, dans certains cas de toute façon, détecter des petites quantités de concentration telles que celles édictées ci-dessus dans les réglementations, qui nécessitent par exemple des mesures de valeur de l'ordre de 10.6 partie par billion environ, sauf à pouvoir prélever des volumes importants d'air ambiant, ce qui alourdit d'autant plus la station de mesure et de contrôle. These various instruments, like many other sensors existing to date for measuring the concentration of certain components of gas mixtures, certainly make it possible to obtain the reading and measurement of such a component that one wants to monitor and control. , but they are all quite large, require protected electronic boxes, regulated in temperature, and cannot, in certain cases anyway, detect small amounts of concentration such as those decreed above in the regulations, which require by example of value measurements of the order of 10.6 parts per billion approximately, except being able to take large volumes of ambient air, which makes the measurement and control station even more cumbersome.
Par ailleurs, depuis quelques années et pour pouvoir mesurer justement et en particulier d'aussi faibles concentrations, des capteurs et systèmes d'analyse miniaturisés se développent en utilisant la technique des semi-conducteurs : on relève en particulier différentes publications et demandes de brevets telles que celle FR 2.615.287 intitulée Microcapteur à technologie intégrée pour la détection de la présence de certains gaz utilisant un cadre-support en silicium ou celle
EP 665 428 décrivant un dispositif de mesure des grandeurs des gaz, utilisant au moins un détecteur de type semi-conducteur ; on relève également différentes publications parues dans le document référence
ISBN 3-8007-2 200-3 édité par Herbert REICHL, Anton HEUBERGER,
VDE Verlag GmbH lors de la cinquième conférence internationale sur les technologies des micro-systèmes, qui a eu lieu à Potsdam en septembre 1996, telles qu'en particulier, pages 181 et suivantes, la description d'un analyseur d'air miniaturisé utilisant des composants fabriqués en silicone usiné dont un capteur de gaz avec un élément chimique filtrant de calibration, deux micro-organes de coupure et de pompage, l'ensemble étant intégré sur un support commun réalisé également en silicone et dans lequel sont creusés des canaux de communication entre les différents éléments précédents ; dans cette même publication, il est décrit aux pages 217 et suivantes, des procédés de fabrication de tels composants, et à la page 787, des micro-pompes à membranes, pouvant être utilisées dans de tels capteurs miniatures.In addition, for a few years and in order to be able to measure precisely and in particular such low concentrations, miniaturized sensors and analysis systems have been developed using the semiconductor technique: there are in particular various publications and patent applications such that that FR 2.615.287 entitled Microsensor with integrated technology for detecting the presence of certain gases using a silicon support frame or that
EP 665 428 describing a device for measuring the quantities of gases, using at least one detector of the semiconductor type; there are also various publications that appeared in the reference document
ISBN 3-8007-2 200-3 edited by Herbert REICHL, Anton HEUBERGER,
VDE Verlag GmbH at the fifth international conference on microsystem technologies, which took place in Potsdam in September 1996, such as in particular, pages 181 et seq., The description of a miniaturized air analyzer using components made of machined silicone including a gas sensor with a chemical filtering element for calibration, two cut-off and pumping micro-organs, the assembly being integrated on a common support also made of silicone and in which communication channels are dug between the various previous elements; in this same publication, it is described on pages 217 and following, methods of manufacturing such components, and on page 787, membrane micro-pumps, which can be used in such miniature sensors.
Cette nouvelle technologie de fabrication de capteurs est effectivement très intéressante puisqu'elle permet de miniaturiser ceuxci mais si on veut alors contrôler et mesurer plusieurs composants éventuels dans un mélange gazeux, il faut empiler et connecter entre eux plusieurs de ces instruments avec les problèmes de compatibilité que cela peut générer ; de plus, quand certains composants gazeux recherchés ont des caractéristiques très proches, ce qui est souvent le cas, il est alors difficile de les différencier, surtout quand on recherche des valeurs très faibles de concentration de l'ordre de 10'6 microgrammes/m3. This new sensor manufacturing technology is indeed very interesting since it makes it possible to miniaturize these but if we then want to control and measure several possible components in a gas mixture, it is necessary to stack and connect together several of these instruments with compatibility problems that it can generate; moreover, when certain sought-after gaseous components have very similar characteristics, which is often the case, it is then difficult to differentiate them, especially when looking for very low concentration values of the order of 10'6 micrograms / m3 .
Le problème posé est donc de réaliser un système de mesure permettant de contrôler en même temps la présence ou non de plusieurs composants donnés dans tout mélange gazeux tel que l'air ambiant, d'en mesurer la concentration éventuelle, même très faible, et de fournir un résultat exploitable, pratiquement en temps réel et en continu, et cela avec une bonne fiabilité, même pour de faibles concentrations comme celles évoquées précédemment et sous un encombrement minimum avec une faible consommation d'énergie, et permettant de réaliser des systèmes facilement implantables dans des structures miniaturisées et discrètes que l'on veut pouvoir disposer dans l'environnement, en grand nombre, et donc avec un coût réduit. The problem posed is therefore to produce a measurement system making it possible to control at the same time the presence or not of several given components in any gaseous mixture such as ambient air, to measure the possible concentration, even very low, and provide an exploitable result, practically in real time and continuously, and this with good reliability, even for low concentrations like those mentioned above and in a small footprint with low energy consumption, and allowing to realize easily implantable systems in miniaturized and discreet structures that we want to be able to have in the environment, in large numbers, and therefore at a reduced cost.
Une solution au problème posé est un procédé d'analyse de plusieurs composants contenus dans un mélange gazeux, dont on effectue un prélèvement d'un volume donné, suivant lequel
- on divise ledit prélèvement en au moins deux échantillons,
- on envoie des sous-échantillons semblables d'un de cesdits échantillons dans au moins deux cellules de mesure, chacune d'au moins une caractéristique donnée liée à la concentration d'au moins un desdits composants pouvant être présents dans le mélange gazeux et que l'on veut analyser,
- on envoie l'autre échantillon à travers au moins une colonne de séparation desdits composants, puis en sortie de cette colonne, on dirige cet échantillon fractionné dans au moins deux cellules de mesure, chacune d'au moins une caractéristique donnée liée à la concentration d'au moins un desdits composants à analyser,
- on relève les résultats des deux séries de mesures effectuées sur chacun des échantillons par lesdites cellules et, par calcul et comparaison avec des références connues, on en déduit la nature et la concentration d'au moins deux desdits composants recherchés et éventuellement présents dans le mélange gazeux.One solution to the problem posed is a method of analyzing several components contained in a gas mixture, from which a sample of a given volume is taken, according to which
- dividing said sample into at least two samples,
- similar subsamples of one of these samples are sent to at least two measurement cells, each of at least one given characteristic linked to the concentration of at least one of said components that may be present in the gas mixture and that we want to analyze,
- the other sample is sent through at least one separation column for said components, then at the output of this column, this fractionated sample is directed into at least two measurement cells, each of at least one given characteristic related to the concentration at least one of said components to be analyzed,
the results of the two series of measurements carried out on each of the samples by said cells are noted and, by calculation and comparison with known references, the nature and the concentration of at least two of said sought components and possibly present in the gas mixture.
L'objectif de la présente invention est atteint avec un dispositif d'analyse suivant le procédé ci-dessus tel que tous les moyens nécessaires à la mise en oeuvre de celui-ci sont intégrés dans un même capteur de conception modulaire, utilisant les propriétés semiconductrices des matériaux dans lesquels ces moyens sont réalisés, et comportant au moins deux plaques intégrant lesdits moyens, et assemblées en couches superposées l'une contre l'autre. The objective of the present invention is achieved with an analysis device according to the above method such that all of the means necessary for implementing it are integrated into a single sensor of modular design, using the semiconductor properties. materials in which these means are made, and comprising at least two plates integrating said means, and assembled in layers superposed one against the other.
Ces différentes plaques peuvent être suivant l'invention, spécifiques à chaque fonctionnalité du dispositif tel que décrit ci-après, à savoir l'une pour les cellules de mesure, une autre pour la tuyauterie telle que les liaisons entre cellules et les moyens d'échantillonnage, une autre pour les organes de coupure des liaisons et de pompage, et au moins une autre pour la partie électronique de commande de traitement des signaux une telle conception et disposition permet une modularité du multi-capteur, constitué donc de plaques de base prédéfinies , qui sont ensuite adaptables en fonction de l'évolution des capteurs et des composants, avec alors des réservations de branchement de modules à venir, qui assurent une ouverture et une adaptabilité du système, comme le sont les cartes de circuits électroniques des micro-ordinateurs. These different plates can be according to the invention, specific to each functionality of the device as described below, namely one for the measuring cells, another for the piping such as the connections between cells and the means of sampling, another for the connection cut-off and pumping devices, and at least one other for the electronic signal processing control part, such a design and arrangement allows modularity of the multi-sensor, therefore consisting of predefined base plates , which are then adaptable according to the evolution of the sensors and the components, with then reservations of connection of modules to come, which ensure an opening and an adaptability of the system, as are the electronic circuit boards of the microcomputers .
Le résultat est de nouveaux procédés et dispositifs intégrés d'analyse simultanée et en temps réel de plusieurs composants contenus dans un mélange gazeux, répondant au problème posé et utilisant la technologie connue de fabrication de type semi-conducteur, telle qu'évoquée précédemment, mais contrairement aux dispositifs envisagés à ce jour dans ce domaine, permettant de réaliser un véritable capteur multigaz. The result is new integrated methods and devices for simultaneous and real-time analysis of several components contained in a gas mixture, responding to the problem posed and using the known semiconductor type manufacturing technology, as mentioned above, but unlike the devices envisaged to date in this field, making it possible to produce a true multigas sensor.
En effet, en séparant les prélèvements de mélange gazeux en au moins deux échantillons semblables qui sont ensuite analysés, l'un globalement et l'autre après séparation, on peut par recoupement des mesures, lever tout doute sur la présence ou non d'un composant dont la mesure des caractéristiques peut interférer sur celle d'un autre et donc fausser la mesure de leur concentration, quand ces deux composants gazeux sont simultanément présents dans une cellule d'analyse ; grâce à la colonne de séparation qui permet de séparer et d'isoler chacun desdits composants avant de les envoyer dans une cellule d'analyse, on peut ainsi d'une part lever le doute existant après l'analyse brute globale effectuée sur l'autre partie de l'échantillon, et d'autre part affiner le résultat de la mesure par recoupement justement entre les différentes mesures effectuées, permettant de relever avec plus de certitude et de fiabilité, des valeurs de concentration très faibles. Indeed, by separating the samples of gas mixture into at least two similar samples which are then analyzed, one globally and the other after separation, we can by cross-checking the measurements, remove any doubt about the presence or not of a component whose measurement of characteristics can interfere with that of another and therefore distort the measurement of their concentration, when these two gaseous components are simultaneously present in an analysis cell; thanks to the separation column which makes it possible to separate and isolate each of said components before sending them to an analysis cell, it is thus possible on the one hand to remove the doubt existing after the overall gross analysis carried out on the other part of the sample, and on the other hand refine the result of the measurement by precisely cross-checking between the various measurements carried out, making it possible to detect with more certainty and reliability, very low concentration values.
En multipliant ainsi les différentes cellules d'analyse qui peuvent être de type physico-chimiques ou photométriques ou spectrométriques massiques, en choisissant celle la plus efficace pour un composant donné, on obtient une mesure de la concentration de celui-ci à une valeur de l'ordre de 106 particules par billion et en ayant écarté tout risque d'interférence avec d'autres composants. By thus multiplying the various analysis cells which can be of the physico-chemical or photometric or mass spectrometric type, by choosing the most effective for a given component, a measurement of the concentration thereof is obtained at a value of l 'order of 106 particles per billion and having ruled out any risk of interference with other components.
De plus, grâce à la miniaturisation d'un tel capteur multi-gaz, sa consommation énergétique de fonctionnement est très faible et autorise également une plus grande rapidité de calcul, ce qui permet d'avoir un résultat de mesure pratiquement en temps réel et en continu. In addition, thanks to the miniaturization of such a multi-gas sensor, its operating energy consumption is very low and also allows greater calculation speed, which makes it possible to have a measurement result practically in real time and in continued.
De tels capteurs multi-gaz suivant l'invention peuvent être ainsi intégrés à des stations de mesure de très petite taille, qui peuvent être implantées en réseau dans un environnement urbain par exemple, et reliées à un centre de contrôle à partir duquel des responsables peuvent être informés, afin de prendre toute disposition éventuelle pour réduire ou faire cesser toute anomalie en agissant sur sa cause et alerter éventuellement les populations, comme cela est maintenant imposé par les réglementations de nombreux pays, telles qu'en France suivant le décret du 18 avril 1996 NO 96 335. Such multi-gas sensors according to the invention can thus be integrated into very small measurement stations, which can be installed in a network in an urban environment for example, and connected to a control center from which managers can be informed, in order to take any possible action to reduce or stop any anomaly by acting on its cause and possibly alert the populations, as is now required by the regulations of many countries, such as in France following the decree of April 18 1996 NO 96 335.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. We could cite other advantages of the present invention, but those mentioned above already show enough to prove its novelty and interest.
La description et les figures ci-après représentent un exemple de réalisation de l'invention, mais n'ont aucun caractère limitatif: d'autres réalisations sont possibles, dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention, en particulier en l'adaptant à tout mélange gazeux. The description and the figures below represent an exemplary embodiment of the invention, but are in no way limiting: other embodiments are possible, within the scope and scope of this invention, in particular by adapting it to any gas mixture.
La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif suivant l'invention. Figure 1 is a schematic view of a device according to the invention.
La figure 2 est une vue perspective éclatée d'un mode de réalisation d'un dispositif suivant l'invention. Figure 2 is an exploded perspective view of an embodiment of a device according to the invention.
Suivant la figure 1, on effectue grâce à toute pompe 15 un prélèvement d'un volume donné 1 dans l'air ambiant ou dans tout mélange gazeux dont on veut effectuer l'analyse. According to FIG. 1, thanks to any pump 15, a sample of a given volume 1 is taken from the ambient air or from any gas mixture for which the analysis is to be carried out.
Ledit prélèvement 1 est divisé en au moins deux échantillons 2l, 22 dans une unité de distribution 2 qui peut être simplement un réseau de micro-canaux de liaison comportant différentes vannes de fermeture ou d'ouverture. Said sample 1 is divided into at least two samples 21, 22 in a distribution unit 2 which can simply be a network of connecting micro-channels comprising different closing or opening valves.
Un de ces dits échantillons 2i est divisé en sous-échantillons semblables et envoyés dans au moins deux cellules 4 de mesure, disposées en parallèle, et aptes chacune à mesurer au moins une caractéristique donnée liée à la concentration d'au moins un desdits composants que l'on recherche dans le mélange gazeux où il peut être éventuellement présent, chacune desdites cellules 4 étant dédiée a priori à un composant différent. One of these so-called samples 2i is divided into similar sub-samples and sent to at least two measurement cells 4, arranged in parallel, and each capable of measuring at least one given characteristic linked to the concentration of at least one of said components that one searches in the gas mixture where it can possibly be present, each of said cells 4 being a priori dedicated to a different component.
Ces différentes cellules de mesure 4 peuvent être des cellules physico-chimiques ou photométriques réagissant en particulier par exemple à une caractéristique de l'oxyde de carbone CO, du dioxyde de soufre S02, du dioxyde d'azote NO2, du BTX (Benzène, Tolluène,
Xylène), de composés de gaz hydrocarbures (CHC), de l'ozone 03, etc... These different measurement cells 4 can be physicochemical or photometric cells reacting in particular for example to a characteristic of carbon monoxide CO, sulfur dioxide S02, nitrogen dioxide NO2, BTX (Benzene, Tolluene ,
Xylene), hydrocarbon gas (CHC) compounds, ozone 03, etc.
On obtient ainsi une mesure brute de la concentration éventuelle de tels gaz, sachant cependant que certains de ceux-ci peuvent interférer entre eux et provoquer donc une mesure brute non représentative de leur concentration réelle. A raw measurement of the possible concentration of such gases is thus obtained, knowing however that some of these can interfere with each other and therefore cause a raw measurement which is not representative of their actual concentration.
L'autre échantillon 22 est envoyé simultanément à travers au moins une colonne de séparation 31, telle qu'une colonne de chromatographie en phase gazeuse qui retient l'ensemble desdits composants qui sont ainsi adsorbés puis désorbés sélectivement suivant un ordre donné et connu grâce à une pompe d'aspiration 19 située à la sortie de ladite colonne 31 : on obtient ainsi des sous-échantillons contenant différents composants séparés séquentiellement en fonction de leur temps de désorption. The other sample 22 is sent simultaneously through at least one separation column 31, such as a gas chromatography column which retains all of said components which are thus adsorbed then selectively desorbed according to a given order and known thanks to a suction pump 19 located at the outlet of said column 31: sub-samples are thus obtained containing different components sequentially separated as a function of their desorption time.
En sortie de cette colonne 31 de séparation, on envoie lesdits souséchantillons ainsi obtenus et séparés,dans au moins deux cellules 4 de mesure, de même type que celles indiquées ci-dessus ; on peut alors, soit envoyer chacun des sous-échantillons ainsi fractionnés de l'échantillon 22 dans toutes les cellules 4 disponibles, ou séquentiellement adresser chacun d'eux dans une seule desdites cellules 4 ou un groupe d'au moins une desdites cellules de mesure, correspondant au moins à une caractéristique donnée liée à la concentration du composant correspondant à la séquence de séparation donnée par ladite colonne 3l. At the outlet of this separation column 31, said sub-samples thus obtained and separated are sent, in at least two measurement cells 4, of the same type as those indicated above; one can then either send each of the sub-samples thus fractionated from the sample 22 in all the cells 4 available, or sequentially address each of them in one of the said cells 4 or a group of at least one of the said measurement cells , corresponding at least to a given characteristic linked to the concentration of the component corresponding to the separation sequence given by said column 3l.
En effet, en fonction des caractéristiques de la colonne de séparation 31, on sait dans quel ordre chronologique lesdits composants en sont extraits et on peut alors ouvrir dans l'unité de distribution 2, le circuit correspondant à la cellule de mesure 4 du composant recherché, uniquement au moment prédéterminé de l'extraction potentielle de ce composant de la colonne de séparation 3l. Indeed, depending on the characteristics of the separation column 31, we know in which chronological order said components are extracted from it and we can then open in the distribution unit 2, the circuit corresponding to the measurement cell 4 of the component sought , only at the predetermined time of the potential extraction of this component from the separation column 3l.
La gestion de ces ouvertures séquentielles de circuits vers les cellules 4 peut être effectuée, soit par une horloge, soit en envoyant une partie de chacun des sous-échantillons ainsi séparés en sortie de la colonne de séparation 3l, dans un capteur de détection de présence 5, tel qu'un détecteur à plasma qui permet de déterminer d'une part si ledit composant recherché est présent ou non, et d'autre part d'avoir une mesure relative de concentration. The management of these sequential openings of circuits to the cells 4 can be carried out, either by a clock, or by sending a part of each of the sub-samples thus separated at the output of the separation column 3l, in a presence detection sensor 5, such as a plasma detector which makes it possible to determine on the one hand if said sought-after component is present or not, and on the other hand to have a relative measurement of concentration.
Les résultats des deux séries de mesures ainsi effectuées, d'une part sur le premier échantillon brut 2l dans l'ensemble des cellules 4, et d'autre part sur les sous-échantillons fractionnés de l'échantillon 22 par les cellules 4, permettent de calculer, suivant une méthode telle que celle explicitée ci-dessous, au moins la nature et la concentration d'au moins deux composants recherchés, dans la mesure où on dispose d'au moins deux cellules d'analyse 4 ; sur la figure 1, il est représenté cinq cellules d'analyse permettant de connaître la nature et la concentration de cinq composants donnés, dans la mesure où ceux-ci sont bien sûr présents dans le prélèvement initial 1 à un taux mesurable par lesdites cellules 4, sinon à défaut, la concentration est considérée nulle. The results of the two series of measurements thus carried out, on the one hand on the first raw sample 21 in all of the cells 4, and on the other hand on the sub-samples fractionated from the sample 22 by the cells 4, allow to calculate, according to a method such as that explained below, at least the nature and the concentration of at least two sought components, insofar as there are at least two analysis cells 4; in FIG. 1, five analysis cells are shown making it possible to know the nature and the concentration of five given components, insofar as these are of course present in the initial sample 1 at a rate measurable by said cells 4 , otherwise, the concentration is considered to be zero.
Ces résultats ainsi obtenus peuvent être également comparés avec des références connues des composants recherchés pour validation de la mesure. These results thus obtained can also be compared with known references of the components sought for validation of the measurement.
Un exemple de calcul des concentrations [Cj] des différents composants gazeux que l'on recherche dans un mélange gazeux donné en fonction des valeurs Vj issues des différentes cellules d'analyse, est tel que
[Cs] - f(Vj)
où f est par exemple un polynôme à plusieurs variables Vj, dont les coefficients de pondération de chaque terme peuvent être prédéterminés, en fonction desdites cellules d'analyse 4 et des composants gazeux recherchés, par la méthode connue dite AIM (cette méthode est décrite par exemple dans la publication Sensors and
Actuators B 28 (1995) 217-222, intitulée Neural networks and abductive networks for chemical sensor signals : a case comparison , par Messieurs SOMMER, TOBIAS and al).An example of calculating the concentrations [Cj] of the different gaseous components that are sought in a given gas mixture as a function of the values Vj originating from the different analysis cells, is such that
[Cs] - f (Vj)
where f is for example a polynomial with several variables Vj, whose weighting coefficients of each term can be predetermined, as a function of said analysis cells 4 and of the gaseous components sought, by the known method called AIM (this method is described by example in the publication Sensors and
Actuators B 28 (1995) 217-222, entitled Neural networks and abductive networks for chemical sensor signals: a case comparison, by Messrs SOMMER, TOBIAS and al).
i est de valeur de 1 à n, n étant le nombre de valeurs issues des différentes cellules d'analyse 4 pour un composant gazeux donné chaque cellule d'analyse 4 peut être à l'origine de plusieurs valeurs V pour différents composants gazeux, tels que par exemple les colonnes de chromatographie (colonne de séparation 3, suivie d'un détecteur à plasma 5). i is from 1 to n, n being the number of values from the different analysis cells 4 for a given gas component, each analysis cell 4 can be the source of several V values for different gas components, such as as for example the chromatography columns (separation column 3, followed by a plasma detector 5).
Chaque coefficient de concentration Cj défini par une fonction f ne peut pas être ainsi obtenu par une seule mesure Vj. Plus on a en effet de valeurs Vn de mesure, plus le calcul de cette concentration s'affine sur un même cycle et permet d'obtenir la précision demandée. Each concentration coefficient Cj defined by a function f cannot therefore be obtained by a single measurement Vj. The more measurement values Vn there are, the more the calculation of this concentration is refined over the same cycle and allows the required precision to be obtained.
Ainsi, suivant l'invention, on peut avoir par exemple
- des mesures brutes V1 à VL sur l'échantillon 2, par les cellules 4 électrochimiques et photométriques,
- des mesures VL+, à V2L sur l'échantillon 22 par une chromatographie en phase gazeuse après la colonne de séparation 31,
- des mesures V2L+I à V3L par un spectrographe de masse sur un troisième échantillon 23 tel qu'explicité ci-dessous,
- des mesures V3L+, à V4L à partir du deuxième échantillon 22 après la colonne de séparation 32 par les mêmes cellules électrochimiques et photométriques 4.Thus, according to the invention, one can have for example
- raw measurements V1 to VL on sample 2, by electrochemical and photometric cells 4,
- VL +, to V2L measurements on sample 22 by gas chromatography after the separation column 31,
- measurements V2L + I to V3L by a mass spectrograph on a third sample 23 as explained below,
- V3L +, to V4L measurements from the second sample 22 after the separation column 32 by the same electrochemical and photometric cells 4.
Quand on veut pouvoir détecter et analyser la concentration de composants de gaz lourds qui ne peuvent pas être traités par des cellules physico-chimiques ou photométriques, on divise ledit prélèvement 1 de mélange gazeux à analyser, en au moins trois échantillons dont les deux précédents 2, et 22, et dont on envoie le troisième 23 à travers un deuxième système d'échantillonnage 32 qui peut être comme le précédent, une colonne de séparation telle que de chromatographie en phase gazeuse, et comportant également une pompe 192 d'aspiration et de désorption en sortie ; les sous-échantillons ainsi fractionnés par cette deuxième colonne de séparation 32, sont envoyés alors, soit simultanément, soit séquentiellement comme après la première colonne de séparation 31 pour l'échantillon 22, dans des cellules 6 de mesure chacune de celle-ci mesurant au moins une caractéristique donnée liée à la concentration d'au moins un desdits composants que l'on recherche et qui, pour des composants dont les molécules sont lourdes, peuvent être des spectromètres de masse. When it is desired to be able to detect and analyze the concentration of components of heavy gases which cannot be treated by physicochemical or photometric cells, we divide said sample 1 of gas mixture to be analyzed, into at least three samples, of which the previous two 2 , and 22, and the third 23 of which is sent through a second sampling system 32 which can be like the previous one, a separation column such as gas chromatography, and also comprising a pump 192 for suction and desorption at the outlet; the sub-samples thus fractionated by this second separation column 32 are then sent, either simultaneously or sequentially as after the first separation column 31 for the sample 22, in measurement cells 6 each of the latter measuring at at least one given characteristic linked to the concentration of at least one of said components that is sought and which, for components whose molecules are heavy, may be mass spectrometers.
Comme pour la colonne de séparation 3 l précédente, cette deuxième colonne de séparation 32 peut comporter à sa sortie une dérivation pour y envoyer une partie de chaque sous-échantillon séparé dans un capteur de détection de présence 52 d'un composant recherché tel qu'un détecteur à plasma. As for the previous separation column 3 l, this second separation column 32 may include a bypass at its outlet to send part of each separated sub-sample to a presence detection sensor 52 of a desired component such as a plasma detector.
L'ensemble du réseau de distribution par conduit de liaison entre les différents composants du dispositif, est d'une part relié à une source d'air de référence 8 pour ventiler et étalonner le dispositif, et d'autre part à une sortie de purge 7. The entire distribution network by connecting conduit between the various components of the device, is firstly connected to a reference air source 8 to ventilate and calibrate the device, and secondly to a purge outlet 7.
Suivant le type de composant gazeux recherché, s'il n'existe pas de capteur 4 spécifique pour l'analyser et en mesurer la concentration, on peut faire réagir chimiquement tel que par oxydoréduction, soit l'ensemble du prélèvement, à l'entrée du dispositif, soit au moins un des sous-échantillonnages du mélange gazeux avec un réactif connu, avant par exemple la cellule d'analyse correspondante, afin d'obtenir un composant résultant que l'on peut alors plus facilement analyser. Depending on the type of gaseous component sought, if there is no specific sensor 4 for analyzing it and measuring its concentration, it is possible to react chemically such as by oxidation-reduction, ie the entire sample, at the inlet of the device, or at least one of the subsampling of the gaseous mixture with a known reagent, for example before the corresponding analysis cell, in order to obtain a resulting component which can then be more easily analyzed.
Comme représenté sur la figure 1, on utilise de préférence les mêmes cellules de mesure 4 pour l'analyse sur l'échantillon brut 2" que pour l'analyse sur les sous-échantillons fractionnés de l'échantillon 22 après la colonne de séparation 31. As shown in FIG. 1, the same measurement cells 4 are preferably used for the analysis on the raw sample 2 "as for the analysis on the fractional sub-samples of the sample 22 after the separation column 31 .
Suivant la figure 2, le dispositif d'analyse suivant l'invention comporte quatre plaques intégrant les différents moyens nécessaires à la mise en oeuvre du procédé de l'invention, lesquelles plaques sont assemblées en couches superposées les unes contre les autres, et constituent ledit capteur multicouche
- l'une de ces plaques 12 supporte toutes les cellules de mesure 4, 6 et d'analyse,
- une autre 13, immédiatement superposée à la précédente 12, supporte tous les moyens d'échantillonnage 3 dont au moins les colonnes de séparation et toutes les liaisons 18 dans lesquelles circule le mélange gazeux et ses échantillons 2l, 22, 23 dans l'ensemble du dispositif et dans les cellules 4, 6 de mesure et d'analyse de la plaque 12,
- une autre 14, immédiatement superposée à la précédente 13, comporte tous les organes de coupure et d'ouverture 11, et de pompage 15, 19 autorisant ladite circulation des échantillons du mélange gazeux dans les différentes liaisons 18 et les moyens d'échantillonnage 3,
- une au moins quatrième plaque 9, 10 placée au-dessus ou audessous des précédentes assemblées en sandwiches dans l'ordre ci-dessus, comporte tous les moyens électroniques de pilotage des organes de coupure 11 et de pompage 15, 19 de collecte des signaux relevés par les cellules de mesure 4, 6 et de communication avec l'extérieur du dispositif.According to FIG. 2, the analysis device according to the invention comprises four plates integrating the different means necessary for implementing the method of the invention, which plates are assembled in layers superposed against each other, and constitute said multilayer sensor
one of these plates 12 supports all the measurement cells 4, 6 and of analysis,
- Another 13, immediately superimposed on the previous 12, supports all the sampling means 3 including at least the separation columns and all the connections 18 in which the gas mixture and its samples 21, 22, 23 circulate as a whole of the device and in the cells 4, 6 for measuring and analyzing the plate 12,
- Another 14, immediately superimposed on the previous 13, includes all the cut-off and opening 11 and pumping members 15, 19 authorizing said circulation of the samples of the gaseous mixture in the various connections 18 and the sampling means 3 ,
- At least a fourth plate 9, 10 placed above or below the previous sandwich assemblies in the above order, includes all the electronic means for controlling the switching devices 11 and pumping 15, 19 for collecting signals recorded by measurement cells 4, 6 and of communication with the outside of the device.
Les différents sous-constituants dudit capteur, tels que décrits cidessus, sont réalisés en micro-technologie sur base de silicium, pyrex, métal, couche épaisse et couche mince, métallique ou polymère, dopé ou non d'oxyde métallique, magnétique ou amagnétique, polarisé ou non polarisé, suivant toute technique connue. The various sub-components of said sensor, as described above, are produced in micro-technology on the basis of silicon, pyrex, metal, thick layer and thin layer, metallic or polymer, doped or not with metallic, magnetic or non-magnetic oxide, polarized or non-polarized, according to any known technique.
Suivant la représentation de la figure 2, il est en fait représenté cinq plaques, la quatrième plaque 9, 10 décrite ci-dessus étant en fait séparée en deux plaques superposées, dont l'une 9 comporte les moyens électroniques de collecte des signaux, et les moyens électroniques de pilotage reliés respectivement par un seul Bus conducteur commun 16 à la plaque 12 des cellules 4, 6 de mesure et par un autre seul conducteur commun ou Bus 17 à la plaque 14 de tous les organes de coupure et d'ouverture 11 et de pompage 15, 19 ; la définition connue d'un Bus désigne un conducteur commun à plusieurs circuits permettant de distribuer des informations ou des courants d'alimentation. According to the representation of FIG. 2, five plates are in fact represented, the fourth plate 9, 10 described above being in fact separated into two superimposed plates, one of which 9 comprises the electronic means for collecting the signals, and the electronic control means connected respectively by a single common conductor bus 16 to the plate 12 of the measuring cells 4, 6 and by another single common conductor or bus 17 to the plate 14 of all the cut-off and opening members 11 and pumping 15, 19; the known definition of a Bus designates a conductor common to several circuits making it possible to distribute information or supply currents.
La deuxième plaque 10 représentée sur la figure 2 peut être celle comportant l'unité de communication avec une ou plusieurs interfaces de liaison standard pour établir une ou plusieurs communications avec tout réseau d'acquisition appartenant à un équipement de surveillance plus global pour y adresser le résultat des mesures et/ou avec toute unité de calcul permettant d'envoyer ou de recevoir toute information et/ou instruction de paramétrage ou de programmation pour lesdits moyens électroniques du multicapteur. The second plate 10 represented in FIG. 2 may be that comprising the communication unit with one or more standard link interfaces for establishing one or more communications with any acquisition network belonging to more global monitoring equipment for addressing the result of the measurements and / or with any calculation unit making it possible to send or receive any information and / or instruction for configuration or programming for said electronic means of the multisensor.
Il est également possible d'utiliser les moyens électroniques dudit multicapteur pour y traiter toute information reçue par tout autre équipement de mesure ou autre capteur tel que météorologique, mesure de taux de particules, etc... que l'on peut connecter par un bus parallèle à celui 16 du multicapteur décrit précédemment, lequel autre capteur externe pouvant être une autre plaque supplémentaire qui peut venir se rajouter aux précédentes ou être un composant séparé. It is also possible to use the electronic means of said multisensor to process any information received by any other measurement equipment or other sensor such as meteorological, measurement of particle rate, etc. which can be connected by a bus. parallel to that 16 of the multisensor described above, which other external sensor can be another additional plate which can be added to the previous ones or be a separate component.
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FR2756928B1 (en) | 1999-02-26 |
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