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RÉSUMÉ
La méthode de la spectrométrie photoacoustiques (SPA) est l’objet principal de cet article. Cette méthode permet de détecter et d’analyser les gaz toxiques et polluants avec fiabilité. Pour commencer, le principe d’ensemble de cette méthode est abordé, avec l'historique de la technique et la spectrométrie photoacoustique moderne. L'analyse du processus de détection de gaz s'avère indispensable au travers des bruits en détection, du rapport signal sur bruit et des améliorations du signal. Le cas de l’application à la détection du gaz méthane est également abordé dans cet article.
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Photoacoustic spectrometry (PAS) is the main subject of this article. This method allows for the reliable detection and analysis of toxic gases and pollutants. To begin with, the overall principle of this method is presented together with the history of the technique and modern photoacoustic spectrometry. The analysis of the gas detection process via noise detection, signal-to-noise ratio and signal improvement appears to be essential. The application to methane gas detection is also dealt with in this article.
Auteur(s)
-
Virginie ZENINARI : Docteur en physique de l’université de Reims Champagne Ardenne (URCA) - Maître de conférences, habilitée à diriger des recherches à la faculté des sciences exactes et naturelles de Reims (URCA)
INTRODUCTION
Le principe de la spectrométrie photoacoustique (SPA) consiste à exciter un échantillon avec une lumière modulée de longueur d’onde définie. Les molécules absorbent une partie de l’énergie lumineuse qu’elles convertissent, après désexcitation, en un signal acoustique capté par un microphone. La SPA est une méthode, à la fois très stable et facile d’emploi, permettant de détecter de très faibles concentrations de gaz, et très efficace, notamment à la pression atmosphérique ; la dynamique de mesure s’étend sur, au moins, 5 ordres de grandeur.
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Application à la détection du gaz méthane3. Détection de gaz
3.1 Signal photoacoustique
La théorie du signal PA se développe à partir de la variation acoustique dans un gaz et se décrit par une pression acoustique p à laquelle on associe la vitesse acoustique u et la température acoustique θ. La chaleur H produite par l’absorption de lumière génère le signal acoustique. Cela peut être décrit par l’équation suivante :
( 1 )
avec :
- c 0 :
- vitesse du son
- γ = Cp / CV :
- rapport des capacités thermiques du gaz.
Cette équation [1] n’inclut pas les termes de perte dus à la viscosité et à la conduction thermique. Ces termes sont en général inclus ultérieurement sous forme de perturbation. Cette équation [1] est une équation d’onde inhomogène qui peut être résolue en calculant la transformée de Fourier des deux membres de l’équation et en exprimant la solution (p) en un développement en série des solutions du mode normal (pj) de l’équation d’onde homogène. Les solutions du mode normal de l’équation d’onde homogène sont déterminées par les conditions aux limites. Si on considère que les modes normaux acoustiques possèdent une fréquence de résonance :
et que la cuve PA est un cylindre simple de longueur
et de rayon (a), la solution de l’équation s’exprime en fonction des fonctions de Bessel du 1er et 2e ordre.
Avec les conditions aux limites, on obtient :
...
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Détection de gaz
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
1.1 Systèmes Omnisens (Suisse) http://www.omnisens.ch/
Les analyseurs de traces de gaz de Omnisens combinent la spectrométrie photoacoustique avec une technique de détection innovante et très sensible. Cela permet d’obtenir un temps de réponse rapide, une limite de détection basse et un fonctionnement sans recalibration périodique. L’appareil TGA320-X permet de détecter l’ammoniac (NH3) pour des applications dans les salles d’élaboration des semi-conducteurs. En effet, dans les industries de fabrication des semi-conducteurs, la contamination par l’ammoniac est un problème croissant, car des concentrations de gaz, de plus en plus faibles, peuvent ruiner des productions entières. Ainsi, la détection de traces de gaz ammoniac est une clé pour l’amélioration de la productivité. L’appareil TGA310 est dédié à la détection de l’ammoniac pour les applications environnementales : pollution de l’air, technologies propres dans l’industrie, production d’énergie, risques sur la santé. L’appareil...
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