La figure 6 présente un exemple de structure réelle d'analyseur de gaz infrarouge. Il est constitué d'une combinaison de composants principaux dont les fonctions sont listées dans le tableau 1.
Figure 6 : Structure de l'analyseur de gaz infrarouge
| 1) Source de lumière infrarouge | Émet un rayonnement infrarouge contenant des longueurs d'onde dans le rayonnement infrarouge moyen de 2,5 à 25 μm |
| 2) Chopper | Rayonnement infrarouge intermittent fourni par une source de lumière infrarouge à une cellule d'échantillon et à une cellule de référence selon un cycle régulier (un type de mécanisme de modulation) |
| 3) Cellule d'échantillon, cellule de référence | La cellule d'échantillon est une cellule à gaz dans laquelle circule un gaz échantillon contenant le composant mesuré. La cellule de référence est une cellule à gaz dans laquelle circule un gaz de référence ou est enfermée, et qui constitue un trajet optique pour le rayonnement infrarouge. |
| 4) Filtre optique | Un filtre à membrane multicouche qui transmet uniquement le rayonnement infrarouge de la longueur d'onde spécifique absorbée du composant mesuré |
| 5) Détecteur principal pour le composant mesuré | Mécanisme de détection comprenant des capteurs pour détecter les changements d'absorption infrarouge du composant mesuré |
| 6) Détecteur de compensation pour le composant interférent | Mécanisme de détection, comprenant des capteurs, pour détecter les changements de l'absorption infrarouge du composant interférent afin de compenser l'influence du composant interférent pour le composant mesuré |
| 7) Traitement du signal | Traitement du signal pour les signaux détectés de 5 et 6 pour calculer la concentration du composant mesuré |
Photo 1 : Exemple d'un analyseur de gaz infrarouge configuré avec les principaux composants
La photo 1 présente un exemple d'analyseur de gaz infrarouge configuré avec ses principaux composants. Pour répondre rapidement aux différents besoins du marché, HORIBA fabrique en interne les composants clés d'un analyseur de gaz infrarouge : source de lumière infrarouge, cellule d'échantillonnage, cellule de référence, filtre optique et détecteur.
Cette section explique les principes de fonctionnement d'un analyseur de gaz infrarouge. Sa structure de base (figure 4) comprend une cellule de référence, un hacheur et un détecteur pneumatique (figure 5). Il permet de mesurer la concentration de gaz grâce aux trois fonctions principales du tableau 2 (figure 6, photo 1).
| 1) Fonction de détection du composant mesuré | Détecte le rayonnement infrarouge absorbé correspondant au composant mesuré dans le gaz échantillon |
| 2) Fonction de modulation | Pour améliorer la précision de la mesure, le rayonnement infrarouge de la source de lumière infrarouge est intermittent à intervalle régulier et le signal du détecteur est émis sous forme de signal modulé. |
| 3) Fonction de compensation pour le composant interférent | Détecter l'absorption infrarouge correspondant à la concentration du composant interférent pour compenser les effets du composant interférent sur le composant mesuré |
Cette section décrit le principe de fonctionnement dans le cas où le gaz échantillon est un gaz d'échappement et où le CO dans le gaz d'échappement est mesuré.
Deux cellules à gaz (cellule d'échantillon et cellule de comparaison) sont utilisées. La différence d'absorption infrarouge générée dans chaque cellule, selon le principe de mesure NDIR est détectée sous forme de différence de pression par un microphone à condensateur dans le détecteur pneumatique. La concentration du composant mesuré dans le gaz échantillon est mesurée grâce à cette différence de pression. Le détecteur servant à mesurer la concentration du composant mesuré est appelé détecteur principal (figure 6).
Fonctions et opérations de la cellule d'échantillon, de la cellule de référence et du microphone à condensateur (Figure 7)
Figure 7 : Principe de fonctionnement de base de l'analyseur
À l'intérieur du détecteur pneumatique (figure 5), le CO, un composant mesuré, est contenu dans deux chambres séparées par la membrane d'un microphone à condensateur. La membrane du microphone à condensateur du détecteur se déplace sous l'effet de la différence de pression entre les deux chambres, modifiant la capacité d'un condensateur formé avec cette membrane et la plaque arrière. Cette différence de pression est détectée comme un signal électrique.
La cellule de référence contient un gaz inerte, tel que le N₂, qui n'absorbe pas le rayonnement infrarouge. Dans cette cellule, le rayonnement infrarouge n'est pas absorbé et seul le rayonnement infrarouge dont la longueur d'onde absorbe le CO₂ est transmis à travers le filtre optique et pénètre dans la chambre droite du détecteur, sous la cellule de référence. Le CO₂ enfermé absorbe le rayonnement infrarouge transmis et génère de la chaleur, ce qui augmente la pression de la chambre et maintient le diaphragme à une pression constante.
D'autre part, le rayonnement infrarouge est absorbé dans la cellule d'échantillonnage en fonction de la concentration en CO des gaz d'échappement. Après absorption dans la cellule d'échantillonnage, le rayonnement infrarouge d'une longueur d'onde spécifique est transmis sélectivement par le filtre optique dédié à la longueur d'onde d'absorption infrarouge du CO et pénètre dans la chambre gauche du détecteur, sous la cellule d'échantillonnage. La pression exercée sur le diaphragme correspond à la quantité de rayonnement infrarouge absorbée par le CO contenu dans cette chambre. À ce moment, le diaphragme se déplace sous l'effet de la différence de pression entre les chambres gauche et droite (immobile ou se déplaçant vers la chambre gauche). Cette différence de pression est convertie en un signal électrique correspondant à l'absorption infrarouge du CO des gaz d'échappement, lequel est ensuite converti en concentration de CO par l'unité de traitement du signal.
Le microphone à condensateur détecte les variations de capacité lorsqu'il existe une différence de distance entre le diaphragme et la plaque arrière, qui varie en fonction de la différence de pression entre les côtés gauche et droit du diaphragme. Même lorsque la concentration du gaz composant mesuré varie peu et que le mouvement du diaphragme est faible et lent, le rayonnement infrarouge de la source lumineuse infrarouge est interrompu à intervalles réguliers pour faire vibrer le diaphragme, ce qui permet de mesurer avec précision les variations infimes de concentration. Cette séquence d'opérations est appelée modulation.
Fonctionnement et fonctionnement du hachoir
Figure 8 : Fonctionnement du hacheur par rapport à l'alimentation infrarouge
Plus précisément, il s’agit d’un mécanisme qui fait tourner une plaque mince semblable à un nœud papillon appelée chopper sous une source de lumière infrarouge, ce qui effectue l’opération de modulation (Figure 8).
En faisant tourner cette fine plaque, la quantité de rayonnement infrarouge de chaque source de lumière infrarouge de la cellule d'échantillon et de la cellule de référence varie continuellement de 0 % à 100 %. Par exemple, si le hacheur chevauche complètement la source de lumière infrarouge des deux cellules (angle de rotation : 0 degré), aucun rayonnement infrarouge n'est généré dans les deux cellules et le diaphragme du microphone à condensateur ne se gonfle pas. Inversement, en l'absence de chevauchement (angle de rotation : 90 degrés), 100 % du rayonnement infrarouge de la source de lumière infrarouge est fourni aux deux cellules.
Figure 9 : Fonctionnement de l'analyseur de gaz infrarouge et détection des signaux de concentration du composant mesuré
En combinant 1) et 2), il est possible pour le microphone à condensateur de détecter la pression latérale différentielle proportionnelle à la concentration du composant mesuré (CO dans les gaz d'échappement) s'écoulant vers la cellule d'échantillon (Figure 9).
Parmi les gaz autres que le composant mesuré contenus dans l'échantillon gazeux, certains gaz dont les longueurs d'onde chevauchent la longueur d'onde d'absorption infrarouge du composant mesuré peuvent coexister. Ce gaz est appelé composant interférent. (Graphique de la figure 10 : longueurs d'onde d'absorption infrarouge et quantités d'absorption infrarouge pour le composant mesuré et le composant interférent). Lorsque le composant interférent coexiste, le détecteur principal du signal de sortie du composant mesuré inclut le rayonnement infrarouge absorbé par le composant interférent ; cet effet doit donc être supprimé. Pour ce faire, le détecteur de compensation du composant interférent détecte l'absorption infrarouge correspondant à la concentration du composant interférent dans l'échantillon gazeux.
Fonctionnement et fonctionnement du détecteur de compensation pour composant interférent
Figure 10 : Détecteur de compensation pour le composant interférent et obtention du signal du composant mesuré après correction de l'effet d'interférence
Le détecteur de compensation du composant interférent est placé de manière à ce que le trajet optique et la modulation du rayonnement infrarouge soient identiques à ceux du détecteur principal du composant mesuré (Figure 10). Ce détecteur de compensation est également du même type de détecteur pneumatique (Figure 5) que le détecteur principal du composant mesuré. Le rayonnement infrarouge restant absorbé par le composant mesuré et le composant interférent dans le détecteur principal du composant mesuré est transmis au détecteur de compensation du composant interférent. Ce rayonnement infrarouge transmis est absorbé par le gaz de correction d'interférence contenu dans le détecteur de compensation du composant interférent et est détecté par le microphone à condensateur comme une différence de pression. Un signal de correction (B) correspondant à la concentration du composant interférent est alors détecté (Figure 10, graphique : Signal de correction du composant interférent). En soustrayant le signal de sortie (B) du détecteur de compensation du composant interférent du signal de sortie (A) du détecteur principal du composant mesuré lors du traitement du signal, on obtient la concentration du composant mesuré avec correction d'interférence.
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