Présentation
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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Détection de gaz2. Principe d’ensemble
2.1 Historique de la technique
L’effet photoacoustique (PA), à la fois dans la matière gazeuse ou non gazeuse, fut découvert au 19e siècle et, en 1880, Bell rapporta brièvement la découverte accidentelle de l’effet PA dans les solides. Durant ces expériences avec le photophone, Bell découvrit qu’il était possible d’obtenir un signal audible directement. Il démontra que l’effet PA dans les solides dépendait de l’absorption de lumière et que la force du signal acoustique dépendait de la puissance absorbée. Ainsi, Bell déduisit correctement la dépendance optique intrinsèque d’absorption de l’effet PA. En plus de l’étude de l’effet PA dans les solides, Bell travailla aussi sur l’effet PA dans les liquides et dans les gaz. Il observa que seuls des signaux faibles étaient produits quand la cuve contenait un liquide absorbant la lumière, mais que l’on obtenait des signaux assez importants quand celle-ci était remplie de gaz absorbant la lumière.
En effet, cela s’explique par le fait que le coefficient d’expansion de volume des liquides est de 10 à 100 fois plus petit que celui des gaz. Dans les expériences de Bell, le détecteur était un dispositif sensible au déplacement : l’oreille. L’échantillon était quelquefois un solide ou un liquide mais, la plupart du temps, c’était un gaz, coloré afin d’absorber le rayonnement visible, ou bien incolore mais absorbant l’infrarouge (IR). Le signal produit dans la chambre fermée était détecté par l’oreille comme un son audible, à travers un tube d’écoute connecté à la chambre. De l’absorption de lumière par l’échantillon résultaient clairement des fluctuations de pression de l’air dans le tube d’écoute, puisque ces fluctuations avaient la même fréquence que la fréquence de modulation. Ainsi, la situation pour les échantillons gazeux était, déjà, très bien comprise au 19e siècle, puisque les lois de base des gaz étaient bien connues. L’échantillon gazeux absorbait tout ou partie du rayonnement incident modulé et s’échauffait périodiquement. L’échauffement périodique du gaz produisait à la fois des variations de pression et de volume. Celles-ci étaient transmises par le diaphragme du tube d’écoute à...
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Principe d’ensemble
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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