SYSTEME DE MESURE

INFRA - ROUGE

à 4 MICRONS

Oleg Eric Anitoff

Chargé de Recherche

au CNRS, CEA Saclay

montage 1978 - 1987

SYSTEME DE CONTROLE CONTINU DE LA TENEUR EN EAU LOURDE DU CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT SECONDAIRE DU REACTEUR NUCLEAIRE ORPHEE.

Oleg Eric ANITOFF,

Chargé de Recherche, Centre National de la Recherche Scientifique, et Département de Physico-Chimie, CEN/Saclay,

91191 Gif-sur-Yvette Cedex (France)

INTRODUCTION.

Ce rapport technique décrit les circuits électroniques du système de contrôle continu (avec déclanchement d’alarmes en salle de contrôle lors du dépassement de seuils réglables) de la teneur en eau lourde du circuit de refroidissement secondaire du réacteur nucléaire Orphée, installé sur le site du Centre d’Etudes Nucléaires de Saclay.

Ce dispositif est destiné à prévenir toute fuite du circuit de refroidissement primaire, ce qui présenterait des risques de contamination radioactive (tritium).

La concentration en eau lourde est proportionnelle (dans le domaine de 0 à 150 ppm) à l’absorption infra-rouge à 4 microns, en raison de la molécule HDO.

La conception mécanique et optique est l’œuvre de J.P. LEICKNAM (Ingénieur, Docteur Es Sciences Physiques, Centre d’Etudes Nucléaires de Saclay), directeur du Laboratoire d’Optique Moléculaire du Service de Photophysique Appliquée – Service de Chimie Moléculaire.

Le principe en apparaît sur les photographies de l’installation:

La cellule de mesure haute pression (acier inoxydable, fenêtres en Corindon) thermostatée au moyen d’un cryostat à groupe réfrigérant (la température du corps de la cellule devant être maintenue au voisinage de 20°C, alors que la température de la casemate où est installé le dispositif peut s’élever jusqu’à 35°C) est traversée sur la voie mesure par un circuit d’eau dérivé du circuit secondaire du réacteur (réglage par vannes « by-pass » ; contrôle de débit par un débitmètre « thermodynamique » original décrit dans ce rapport) et sur la voie référence par l’eau ordinaire d’un circuit fermé.

La mesure d’absorption optique à 4 microns est donc différentielle.

VUE DE LA PLATINE OPTIQUE avec la SOURCE INFRA-ROUGE GLOBAR

Et la CUVE DE MESURE avec FENETRES en CORINDON, ainsi que le MOTEUR PAS-a-PAS PD12 à 8 PHASES et le DISQUE HACHEUR

La source infra-rouge est un élément chauffant de 400 W au carbure de silicium (« Globar »), alimenté par une alimentation stabilisée à thyristor (100 V CC/4A). Afin d’éviter l’échauffement par convection de la platine optique, la source est soumise à un écoulement laminaire d’air (tuyère avec filtre anti-poussière au-dessus de la source ; aspiration et rejet dans la casemate par une turbine centrifuge).

La lumière infra-rouge est commutée entre les voies mesure et référence par un demi-disque équilibré tournant à 21,33 Hz.

L’entraînement de ce disque est effectué par un moteur pas à pas type PD 12 (plus fiable qu’un moteur synchrone dans un environnement présentant d’importantes fluctuations de température).

Un système de quatre miroirs paraboliques réglables chacun par 3 vis indépendantes renvoie les faisceaux mesure et référence sur un détecteur infra-rouge au Séléniure de Plomb, refroidi par un dispositif incorporé à effet Peltier. Le boîtier « détecteur », fixé sur la platine optique, comporte le détecteur Se-Pb monté sur une embase refroidie par circulation d’eau thermostatée et préamplificateur de tension (Gv = 40 dB) à faible bruit.

VUE GENERALE de l’INSTALLATION et de mon MONTAGE ELECTRONIQUE

Rappel du Cahier des Charges

La conception et la construction de ce dispositif (achevé en janvier 1981) avaient été entreprises sur la demande de LEDOUX (Ingénieur, Service des Piles, CEN/Saclay).

Les fonctions à remplir étaient les suivantes :

Mesure en continu de la concentration différentielle en D2O du circuit secondaire avec une résolution de 10 ppm, une dynamique minimum de 100 ppm et transmission de la valeur mesurée en salle de contrôle par une boucle de courant 0-20 mA ; dispositif actionné par un électroaimant sur la platine optique simule toutes les 4 heures un offset de 30 ppm ;

Déclanchement d’un circuit alarme en salle de contrôle (deux circuits inverseurs) lorsqu’au moins une des anomalies de fonctionnement suivantes se produit :

Dépassement du seuil de concentration en D2O, maximum autorisé dans le circuit secondaire : réglable de 0 à 100 ppm,

Dépassement du seuil de température détecteur (Tdet) Dépassement du seuil de température ambiante (Tgal) Dépassement du seuil de température d’eau voie référence (Tref) Dépassement du seuil de température d’eau voie mesure (Tcir) Débit d’eau de référence inférieur au seuil de consigne (Dcir) Dépassement de seuil de température thermostat 1 (TT1) Dépassement de seuil de température thermostat 2 (TT2) Pannes d’alimentation électrique :

100 V (polarisation du détecteur Se-Pb) 5 V (circuit logique TTL commandant le moteur en PD 12)

15 V a et b : ces circuits électriques, dont les voyants de contrôle sont sur le panneau avant de la centrale de contrôle en casemate, ne sont plus utilisés (initialement, la transmission de (D2O) avait été effectuée par deux circuits tension flottants indépendants : 0 à 5 V pour enregistreur en salle de contrôle ; 0 à 10 V pour l’ordinateur gérant le fonctionnement du réacteur ; cette double transmission tension flottante a été remplacée en 1981 par une unique boucle de courant 0-20 mA).

Le contrôle des débits Dcir et Dref nécessitait le développement d’un nouveau débitmètre

Sensible aux très faibles débits (quelques millilitres par minute) Ne comportant en contact avec l’eau du circuit secondaire que de l’acier

inoxydable (afin de satisfaire aux normes anticorrosion).

Descriptif électronique

Les circuits électroniques sont répartis entre 4 tiroirs dans un panier Camac 5 U, sous la platine optique .

De gauche à droite :

1) Tiroir commande générale

Ce tiroir comporte simplement un interrupteur Arrêt/Marche, commandant deux télérupteurs disposés dans les boîtiers électriques « secteur secours » (circuit électrique permanent du réacteur : protégé contre les pannes E.D.F. ; avec continuité de phase) et « secteur non secouru » (réseau E.D.F. ordinaire), ainsi que le relai ooptocoupleur-thyristor commandant l’électroaimant de test automatique.

2) Tiroir alimentation Globar 100 V CC 4 A.

Ce tiroir contient l’alimentation stabilisée continue à découpage par thyristor commuté à fréquence double de la fréquence réseau (100 Hz). Cette alimentation comporte aussi deux parties extérieures au tiroir et situées à l’arrière du panier Camac :

Un transformateur abaisseur de tension 220/110 V de 630 VA (transformateur Deri, type TA 630 B).

Une inductance de lissage de 80 mH/5 A, construite au moyen d’un transformateur « Variac » de 110 V/500 VA dont l’enroulement est partagé en deux moitiés, lesquelles sont connectées en parallèle (l’enroulement complet d’un « Variac » 110 V, 500 VA présente une inductance de 320 mH, mais commencerait à se saturer sous l’action d’une composante continue de 3 A, ce qui est insuffisant pour l’application présente).

3) Tiroir alimentation moteur + détecteur PbSe.

Ce tiroir contient :

Une alimentation multiple : 20 V non stabilisé (alimentation du réseau

de compensation du moteur pas à pas) 5 V stabilisé (circuit TTL) 1,6 A (refroidisseur thermoélectrique

« Peltier » du détecteur SePb) 200 V (polarisation du détecteur SePb)

Une carte de commande de moteur pas à pas type 13103004 (RTC, circuits TTL). Cette carte n’est plus fabriquée par la Radiotechnique depuis 1982.

4) Tiroir Centrale de contrôle.

Ce tiroir est la « partie intelligente » du système .

Ce tiroir contient

Une alimentation stabilisée 5 V 500 mA alimentant le voltmètre numérique AD 2026 situé sur le panneau avant,

Une alimentation stabilisée 15 V 350 mA (Anolog Device, type 925 E) Une alimentation stabilisée + 12 V, 150 mA Une carte alarmes assurant la détection des anomalies (Cf. Cahier des charges) autres

que le dépassement seuil (D2O).

Cette carte comporte :

8 comparateurs à seuils réglables sur le circuit imprimé par 8 potentiomètres multitours (T 19 S L4)

4 comparateurs de tension à couplage optique, dont 2 ne sont plus utilisés sur la version « 1981 ».

Ces 12 comparateurs, détectant chacun une anomalie de fonctionnement différente, commandent 12 voyants lumineux (L.E.D. : light emitting diodes) situés sur le panneau avant.

Un bouton poussoir « test L.E.D » permet d’allumer simultanément tous les voyants afin que de vérifier leur bon fonctionnement.

Un circuit en logique câblée OU (non exclusif) déclenche le circuit (bascule RS) « alarme appareil » (noté En App : non enable Appartus).

TIROIR ALIMENTATIONS : VUE DU REGULATEUR 100Vcc 400Watts à THYRISTOR

COMMANDE du MOTEUR à 8 PHASES (carte RTC) et ALIMENTATION +200Volts

Le circuit « alarme D2O » (En D2O) est déclenché par un comparateur à hystérésis relié à la carte mesure et au potentiomètre de consigne « Seuil D2O ».

Une carte Horloges. Cette carte comporte : un oscillateur à quartz 3,2768 MHz suivi d’une chaîne de diviseurs de fréquence LOCMOS ; plusieurs signaux périodiques de fréquences différentes sont générés par cette carte :

1) Signal 2048 Hz compatible TTL (vers carte 1310304). Cette fréquence détermine la fréquence de commutation du faisceau infrarouge : le moteur PD 12 étant un moteur octophasé à 96 pas par tour : Ff = 2048/96 = 21,333 Hz.

Le moteur PD 12 a été choisi car il peut être commandé à 16000 pas/s (Frot max = 16000/96 = 166,667 Hz).

La fréquence de rotation a été limitée à 21,333 Hz afin de garantir un fonctionnement fiable (le couple d’un moteur PD 12 décroît à fréquence élevée) malgré les défauts d’alignement possibles entre l’axe du moteur et l’axe du demi-disque hacheur, et malgré les frottements pouvant résulter d’un mauvais équilibrage du demi-disque et de la délubrification des roulements (inévitable en fonctionnement continu à température ambiante élevée).

D’autre part, le moteur ne peut démarrer dans un champ tournant à 2048 Hz (la fréquence maximum du champ tournant au démarrage est de quelques centaines de Hertz). La carte horloge comporte donc également un circuit de démarrage : oscillateur contrôlé par une rampe de tension et comparateur de phase (HEF 4046 de RTC), avec un circuit de départ moteur automatique avec option départ manuel (bouton poussoir « départ moteur » su le panneau avant). Le passage en régime d’entraînement à fréquence stabilisée est indiqué par l’allumage sur le panneau avant du voyant vert « contrôle PLL (Phase Locked Loop) moteur « locked », la phase de démarrage étant indiquée par l’allumage du voyant rouge « unlocked ».

2) Signal 50 Hz : ce signal commande deux horloges numériques TLS 3874 NL, mise à l’heure au moyen des boutons poussoirs MA et MH (minute alarme ; heure alarme) et MD2O et HD2O (minute eau lourde, heure eau lourde), reliées à deux afficheurs DIS 739 sur le panneau avant (Horloge Alarme ; Horloge D2O) :

Ces horloges s’arrêtent respectivement en cas d’alarme sur le circuit appareil (passage au niveau bas de la ligne EnControl) et sur le circuit eau lourde (passage au niveau bas de la ligne EnD2O) : ainsi, l’heure à laquelle s’est produite l’anomalie correspondante est enregistrée jusqu’à ce que l’opérateur vienne inactivée le circuit alarme (bouton poussoir R/O alarmes) puis remettre à l’heure les horloges.

3) Signal test automatique : ce signal, d’une durée voisine de 80 s, est généré toutes les 4 heures automatiquement (ou manuellement, sans limitation de durée en actionnant le bouton poussoir « test + 30ppm ») commande, par l’intermédiaire de la carte optorelais (tiroir 1) l’électroaimant de test automatique. Simultanément, la tension de consigne du comparateur « seuil D2O » est décalée afin de ne pas déclencher une fausse alerte.

CARTE HORLOGE PRINCIPALE et REJECTEUR à 2 x 21,3Hertz

VUE de DESSUS du TIROIR « CENTRALE de MESURE »

Une carte mesure comporte : un réjecteur d’harmonique 2 (42 Hz), afin de compenser les imperfections d’alignement optique du spectrodoseur (lorsque le « zéro optique » est rétabli, c’est-à-dire que les intensités des faisceaux mesure et référence reçus par le détecteur SePb sont égales, il substitue un signal résiduel à fréquence double de la fréquence de commutation de la lumière source en raison des imperfections optiques de l’appareil et des divergences différentes des faisceaux mesure et référence, ce signal étant amplifié par la non linéarité spatiale du détecteur). Un amplificateur sélectif centré sur 21,3 Hz, Un redresseur bialternance, Un convertisseur tension/courant commandant la boucle de courant 0-20 mA, Un inverseur de tension

Le coefficient d’amplification de l’amplificateur sélectif est réglé de telle sorte qu’une concentration différentielle de 100 ppm (D2O) sur la voie mesure corresponde à un courant de 20 mA sur la boucle de courant allant en salle de contrôle et à une tension de +1 V sur la ligne intérieure SC/M (Sortie Contrôle/mesure). La ligne SC/M est reliée, d’une part au voltmètre numérique AD 2026 sur le panneau avant (ainsi une concentration de 99,9 ppm correspond à l’affichage 99,9), d’autre part, à l’entrée B 28 (à travers une résistance de 33k) de la carte alarmes (comparateur (D2O)) et enfin à l’entrée « COMP » de la carte relais.

Cette ligne « COMP » sert à détecter un arrêt accidentel du moteur PD 12 (pouvant résulter soit d’une baisse de tension d’alimentation, soit d’un choc ou d’une cause de frottement aléatoire : alors, le rotor ne tourne plus en phase avec le champ d’entraînement et le moteur s’arrête, car la fréquence du champ est supérieure à la fréquence de démarrage).

Dans une telle éventualité, il n’y a plus de signal alternatif à l’entrée (borne E) de la carte mesure. La tension de ligne SC/M retombe à zéro, ce qui déclenche un monostable (1/2 HEF 4528), après mise en forme, lequel commande (par l’intermédiaire d’un relai Celduc M 62 C 1500) la remise en route automatique du moteur, sur la carte horloges. Si, au bout de 2 minutes (durée déterminée par le second monostable ½ HEF 4528), la ligne « COMP » est encore en dessous + 12 mV, le relai alarme est déclanché par l’intermédiaire d’une bascule JK (1/2 HEF 4027). Le relai alarme (Siemens 65421/93 d) comporte deux circuits inverseurs. Ces deux circuits sont repérés par les couleurs des fils de connection :

Circuit 1 : commun : orange ; normalement fermé : blanc ; contact alarme : brun. Circuit 2 : commun : violet ; normalement fermé : blanc-rouge ; contact alarme : bleu.

Le relai alarme est normalement activé. Sa désactivation, c’est-à-dire : existence d’une cause d’alarme, se produit dans l’un au moins des cas suivants :

Panne d’alimentation 12 V pouvant résulter soit d’une panne dans le tiroir de contrôle lui-même, soit de l’arrêt général au moyen de l’interrupteur du tiroir 1, soit d’une panne du circuit secouru (le tiroir de contrôle et le tiroir alimentation moteur + détecteur sont alimentés en réseau secouru ; la puissance absorbée transitoirement par le tiroir alimentation Globar lors de sa mise sous tension est trop élevée pour avoir permis sa connection au réseau secouru).

Détection d’une anomalie (D2O) ou Appareil,

Non-redémarrage du moteur pas à pas après arrêt accidentel.

CARTE de CIRCUITS d’ALARME

Description et analyse des différentes cartes électroniques.

I. Tiroir 1 «   COMMANDE GENERALE ORFEDOZ   »   : carte optorelai .

Figure 6 : - connections tiroir 1 : de haut en bas : télérupteur (réseau « secouru » et réseau « non secouru » ; électroaimant de test automatique (situé sur la platine optique ; côté faisceau mesure) ; réseau 220 V secouru ; signal test (connecté à la sortie test du tiroir contrôle par un câble BNC).

carte optorelai : le relai à commande par photocoupleur se compose de :1) un photocoupleur HTPV 1063 Hamamatsu (ou autre photocoupleur à usage général :

Hewlett Packard type 4 N 45/4 46 ; La Radiotechnique type CNY 57, etc.)2) un oscillateur à transistor unijonction (2 N 2646 ou équivalent, Cf. General Electric),

activé par le courant de sortie émetteur du photocoupleur, déclenchant un thyristor (BT 151/500 RTC ; ou équivalent : application non critique) (immunisé contre les déclenchements intempestifs par un réseau RC 330 - 0,1 F).

3) un pont redresseur 110 B8 : le thyristor et son circuit de commande est connecté dans la branche continue ; la branche alternative est en série avec le réseau 220 V secouru et l’électroaimant test.

II. Tiroir «   ALIMENTATION GLOBAL 100 VCC «   A   »

La source infra-rouge « Globar » (élément chauffant de 400 W au carbure de silicium) requiert une alimentation stabilisée 100 V/4 A. l’alimentation est faite en courant continu d’une part, parce que la stabilisation d’une tension alternative n’est pas plus simple que celle d’une tension continue, d’autre part, pour éviter le rayonnement de champ alternatif à fréquence réseau sur la platine optique, ce qui pourrait perturber le détecteur infra-rouge.

Rappelons en effet que le redressement du signal mesure est asynchrone après amplification sélective (les avantages de ce procédé par rapport à la détection synchrone utilisée habituellement dans les spectrodoseurs, en particulier une meilleure stabilité à long terme, sont décrits dans le brevet 80010773).

En fait, pour revenir sur l’alinéa précédent, je suis finalement revenu à la détection synchrone monoalternance, un capteur réflectif Hewlett-Parckard HEDS1000 servant à synchroniser sur la rotation du disque hacheur.

1) La tension « réseau non secouru » 220 V est ramenée à 115 V par un transformateur TA 630 B puis redressée sans filtrage par pont 250 V, 10 A, constitué sur le prototype de 8 diodes BY 252 (2 en parallèle dans chaque branche du pont, avec équilibrage par résistance de 0,12 3W en série avec chaque diode, chaque diode étant munie d’un dissipateur thermique « Thermalloy » type THM 60, collé au moyen d’adhésif thermoconducteur genre Thermobond ou équivalent).

La tension au point 1 est donc constituée de demi-sinusoides 100 Hz. Cette tension est d’une part ramenée à 18 V CC stabilisé par diode zener 18 V 10 W pour l’alimentation du régulateur (TL 082 + uA 723), d’autre part hachée par le thyristor de puissance BTW 92/1200 RM (RTC).

2) La tension 1 est divisée par 11 (68k/6,8k), limitée (10k + 1N 4148) et appliquée à l’entrée + amplificateur opérationnel 1/2 TL 082 utilisé en comparateur, son entrée – étant relié à la sortie Vref (7V) du A 723. Le signal rectangulaire en sortie du comparateur est converti en dent de scie (47 k/1 N 4148 chargeant en déchargeant à la fréquence de 100 Hz un condensateur de 0,1 F). Cette tension en dent de scie (point 4) est appliquée à l’entrée + du second comparateur 1/2 TL 082 à travers une résistance de limitation de 1 M. L’entrée +est aussi reliée à l’entrée – à travers un condensateur de 2200 pF, nécessaire pour assurer la stabilité inconditionnelle du TL 082 utilisé en comparateur (ce qui n’est pas son mode d’utilisation habituel). Le potentiel de référence appliqué à l’entrée – à travers le filtre de compensation 1M/1 F peut varier entre 2 et 15 V (sortie 2-3-10 du régulateur A 723). Ce potentiel de référence contrôle donc le décalage temporel entre le début de la rampe montante de la dent de scie et la transition positive en sortie du comparateur, laquelle est différenciée après un étage émetteur suiveur (2N 2219) par un condensateur de 0,1 F et l’impédance primaire du transformateur de déclanchement du thyristor (transformateur constitué par 2 × 35

spires de fil isolé au téflon ou tefzel sur un tore haute perméabilité 3 E 3 ou équivalent, de taille 9/6/3).

On réalise ainsi la fonction « modulation de position d’impulsion » (PPM : Pulse Position Modulation).

3) Ce circuit PPM contrôle donc l’échantillonnage par le thyristor BTW 92/1200 RM (monté sur radiateur HP 3) du train de demi-sinusoïdes redressée présent au point 1, formant au point 2 un train d’arcs de demi-sinusoïdes, lequel est moyenné par l’inductance torique 80 mH/5 A et le condensateur de filtrage de 2350 F, constitué par deux condensateurs Felsic CO 38 4700 F/63 V/6,9 A.

Il est possible d’utiliser un autre condensateur de filtrage en sortie (au moins 2000 F, tension de service 120 V minimum), à condition qu’il supporte un courant efficace de 6 A à 100 Hz à 80°C.

L’ondulation résiduelle n’est que 2 V crête à crête sous 4 A.

4) Une fraction (1/13 à 1/6) de la tension de sortie, réglable au moyen du potentiomètre multitour 200 sur le circuit imprimé, est appliquée à l’entrée + (non inverseuse) du comparateur du A 723, l’entrée – étant reliée à Vref. La tension de sortie (2-3-10) du A 723 est le potentiel de référence du circuit PPM, le réseau de compensation 1M/1 F assurant la stabilité inconditionnelle de la boucle de régulation de tension.

Cette alimentation stabilisée, en fonctionnement permanent depuis 4 ans à la date de rédaction de ce rapport (18/1/1984) n’a jamais présenté de défaillance.

Sur le panneau arrière (figure 8) :

L’embase BNC « 100 VAL » est reliée par câble BNC à l’entrée « contrôle 100 V » du tiroir « Centrale de Contrôle »,

L’embase BNC isolée « DEB » sur laquelle est aussi présente la tension de 100 VCC, est reliée aux éléments chauffants des deux débitmètres thermodynamiques,

L’embase Socapex « TRANSFO » est connectée par deux câbles branchés sur une prise Socapex d’une part au secondaire du transformateur TA 630 B (deux fusibles temporisés TD 6,3 A, en série avec les arrivées secondaires transfo, sont accessibles sur le panneau arrière), d’autre part à l’inductance de 80 mH,

L’embase Socapex « SORTIE » est reliée par câble et prise Socapex à une embase Socapex tripolaire sur platine optique. La source est connectée à cette embase par câble + fiche tripolaire Socapex.

III. Tiroir «   ALIMENTATION MOTEUR + DETECTEUR PbSe   » .

III.1 Alimentation multiple.

L’embase 220 V (réseau secouru) est reliée à travers un fusible (0,31 A) au primaire d’un transformateur Systel TA 2667 (220 V/2 × 8 V 2,4 A). La tension secondaire est redressée par une paire de redresseurs RR 20 A (anode au boîtier) et une paire de redresseurs 1 N 4004.

La tension non stabilisée + 18/20 V est reliée à l’embase Socapex « MOTEUR » sur le panneau arrière et alimente le circuit de compensation (8 résistances 91 ohms 5 W ; 8 condensateurs 10 F 64 V) fixé sur la platine optique (Cf. figure 13).

Cette tension est stabilisée à 15 V par un 7815, cette tension de 15 V alimentant un TL 071 et un A 723.

Un régulateur de courant (TL 071 + TIP 31 A sur dissipateur 6034 B + 2 N 3055 sur dissipateur HP 3) fournit le courant de 1,6 A destiné au refroidisseur thermoélectrique du détecteur SePb (embase Socapex « DETECTEUR »).

Un régulateur de courant de tension (µA 723 + TIP 31 A sur dissipateur 6034 B + 2 N 3055 sur dissipateur HP 3) fournit la tension stabilisée de 5 V. La sortie 5 V sur le panneau arrière est connectée par câble BNC à l’entrée « CONTROLE 5V » du tiroir de contrôle.

Un convertisseur continu/continu, constitué d’un oscillateur push-pull 2 × 2 N 2219A, alimenté en + 5 V, et d’un transformateur sur circuit ferrite EC 35 (RTC) (primaire 2 × 19 sp ;

secondaire 400 sp 1/10) fournit la tension de polarisation de + 200 V, stabilisée par deux diodes zener 1 N 3044 B en série. Cette tension est appliquée à l’embase Socapex « DETECTEUR ». Le détecteur SePb photoconducteur se comportant comme un générateur de courant proportionnel au flux photonique reçu, le coefficient de température des diodes zener est sans influence sur la sensibilité du détecteur (responsivité de l’ensemble détecteur + préamplificateur).

III.2 Carte de commande unipolaire 8 phases 13103004.

Cette carte, qui était fabriquée par la Radiotechnique jusqu’en 1982, est schématisée figure 12 et visible sur la figure 14, entre le transformateur TA 2667 et le convertisseur 5 V/200 V.

Les figures 15 et 16 représentent l’intérieur du tiroir III vu dessus et du côté circuit imprimé alimentation multiple respectivement.

IV. Tiroir «   CENTRALE DE CONTROLE   » .

Le panneau avant est représenté figure 5, la composition et le mode d’emploi de ce tiroir sont expliqués dans le descriptif général (pages 8 à 12).

IV.1 Carte Alarmes.

1) Comparateurs à seuil réglable.

Ce sont des amplificateurs opérationnels 1/2 TL 082.

A1a, A1b, A2a et A2b détectent les dépassements de seuils de température thermostat 1, thermostat 2, ambiante, détecteur SePb.

Les capteurs de température TT1, TT2, TGEN sont des capteurs de température monolithiques AD 5901 H (Analog Devices).

TT1 et TT2 sont soudés à l’extrémité de câbles BNC (raccordés aux embases correspondantes du panneau arrière) et immergés dans les cuves des thermostats 1 et 2. TGEN est soudé dans une fiche BNC directement connectée à l’embase « température générale » du panneau arrière.

Ces capteurs de température se comportent comme des générateurs de courant proportionnel à leur température (1A/K).

Le capteur de température détecteur est une thermistance CTN désignée par le sigle Rdet su le schéma (figure 17) incorporée au détecteur SePb. Elle est alimentée par un générateur de courant de 20 A, constitué par un transistor à effet de champ T17 avec une résistance de contre réaction entre source et grille. La valeur de cette résistance n’est pas indiquée sur le schéma car elle doit être exactement adaptée à T17 : Rsg = -Vgsoff / 2. 10-5.

Par exemple si Vgsoff = -4 V : Rsg = 200 k.

2) Contrôleurs de débit.

Le problème posé par le cahier des Charges a été résolu par la conception d’un débitmètre thermodynamique représenté figure 22. Le débitmètre thermodynamique consiste en une tubulure d’acier inoxydable dans laquelle l’écoulement laminaire est brisé par une vrille d’acier inoxydable. Le milieu du débitmètre est chauffé par une résistance connectée au + 100 V (sortie « DEB » du tiroir II). Deux capteurs de température AD 5901 H mesurent la température de la tubulure de part et d’autre de la zone chauffée, l’ensemble du débitmètre étant isolé thermiquement par de la mousse de polyuréthane expansée in situ après assemblage et capotage par un boîtier d’acier inoxydable.

Le capteur de température en tête d’écoulement, mesure la température de l’eau. Les comparateurs correspondants A 3b et A 5b détectent le dépassement des seuils de consigne Tref et Tcir.

Tant qu’il y a écoulement, l’échauffement de l’eau traversant la zone vrillée est pratiquement adiabatique.

Soient P la puissance thermique appliquée (en W), d le débit d’eau (en ml/minute), Cp la chaleur spécifique de l’eau (Cp = 4,18 Jg-1 K-1), la variation de température T est :

T = 60 P/d.Cp,

Soit I/ T le coefficient ampérothermique du capteur de température, R1 la résistance de charge, VE et VS les différences de potentiel entre la ligne -10 V et les entrées et sortie du débitmètre. Les amplificateurs A 3a et A 5a (gain en tension = 10) amplifient (VE – VS) respectivement sur les voies référence et circulation.

La tension de sortie Vd de chacun de ces amplificateurs différentiels est lié au débit correspondant par (R1 = 33 K ; I/ T = 1 AK-1) : Vd = 600 R1 ( I/ T) (P/d.Cp), soit

Vd = 4,7 P/d.

Les courbes d’étalonnage de la figure 22 ont été enregistrées avec P = 1,3 W (courbe A) et P = 3,2 W (courbe B).

Ainsi que le prévoit le calcul ci-dessus, la sensibilité Vd/ d est proportionnelle à 1/d2 et croît donc très vite aux faibles débits, contrairement à n’importe quel autre débitmètre dont la sensibilité décroît aux très faibles débits !

Ceci résulte de l’absence de toute partie mécanique en mouvement (pas de frottement solide).

Le sorties des amplificateurs différentiels A 3a et A 5a sont reliées aux entrées + des comparateurs A 4a et A 4b. Si le débit sur les voies circulation et référence est inférieur aux seuils de consigne, les lignes d’alarme Dcir et Dref sont activées respectivement.

Les 8 potentiomètres de réglage des seuils comparateurs sont visibles sur la figure 20 (TT1 ; TT2 ; TGEN ; TDET ; TREF ; DREF ; DCIR ;TCIR).

Pour y avoir accès en fonctionnement, il est nécessaire d’avancer de quelques centimètres (par rapport au panier Camac) le tiroir « Centrale de Contrôle » et de faire glisser la grille supérieure du tiroir.

Le réglage des seuils en fonctionnement nécessite un tournevis isolé de 2 mm.

3) Comparateurs à couplage optique à seuils fixes.

Chacun de ces 4 comparateurs (dont 2 ne sont plus utilisés ; Cf. descriptif général) est constitué d’un photocoupleur HTVP 1063 ou équivalent (trié : coefficient de transfert Is/Ie = 1,50 0,5 avec Ie = 2 mA) chargé par un JFET MPF 102 connecté en générateur de courant (trié : IDSS = 3,5 0,5 mA).

4) Visualisation

Chaque sortie comparateur est reliée à un opérateur RTL constitué par un transistor NPN MPSA 13 et commandant une diode électroluminescente sur le panneau avant. Une ligne de test activée par le poussoir « test led » active les 12 opérateurs RTL simultanément.

5) Alarmes

Chaque sortie comparateur est reliée à travers une diode au bus alarme dont le passage à l’état haut est détecté par un comparateur à hystérésis A6 dont la sortie commande une bascule RS (2/4 HEF 4011). Le passage au niveau bas de la sortie EnApp inhibe l’opérateur relai alarme et déclenche l’alarme par défaut.

Un deuxième comparateur à hystérésis A7 détecte le dépassement du seuil de consigne « concentration différentielle eau lourde » (Cf. figure 23) et déclenche une deuxième bascule RS, dont la sortie est la ligne EnD2O.

6) Régulateurs auxiliaires

Un circuit régulateur auxiliaire (qui est « greffé » sur la carte alarme) génère les tensions de référence + 1 V, -1 V, -10 V (figure 19).

IV. 2 Carte Horloges.

Cette carte est schématisée figure 24 et visible figure 25 (avec le dessin du circuit imprimé) et 26. Sur la figure 26, on distingue également un préamplificateur réjecteur équipé d’un MC 1556, qui a été supprimé sur la version finale « 1981 » (la fonction réjecteur d’harmonique 2 étant désormais réalisée en tête de carte mesure. Les fonctions de la carte horloge ont été exposées dans le descriptif général).

L’oscillateur piloté par quartz 3,2768 Mhz est équipé d’un JFET BF 256 et commande une chaîne de diviseurs CMOS :

Le signal de commande moteur à 2048 Hz résulte d’une division par 1600 (4ème sortie du diviseur binaire à 14 étages HEF 4020 + diviseur par 100 HEF 4518). Un oscillateur astable commandé par rampe de tension (charge du condensateur Ta 100 F 15 V à travers 1M/1k8 + BAX 13) (section oscillateur d’un HEF 4046) génère la rampe de fréquence de 0 à 2048 Hz assurant le démarrage du moteur (Cf. figure 11 : le moteur ne peut démarrer qu’à une fréquence de champ tournant inférieure à 1000 Hz). Lorsque la fréquence d’oscillateur astable atteint 2048 Hz, le comparateur de phase PC 2 du HEF 4046 fait basculer RS (2/4 HEF 4011), commutant la sortie motrice TTL (2N 2369 à collecteur ouvert) de l’oscillateur astable à la base de temps, au moyen d’interrupteurs analogiques (2× ¼ HEF 4016). Les Q et Q de la bascule RS sont reliés à travers des résistances de limitation aux L.E.D. « contrôle PLL moteur » « locked » et « unlocked » (non représenté figure 24).

L’initialisation de la procédure départ moteur est commandée par un relais Celduc M 62 C 5100 sur la carte relais.

Le signal 50 Hz commandant les horloges TMS 3874 NL résulte d’une division par 216

(diviseur binaire 14 étages HEF 4020 + double JK 4027). Les afficheurs d’horloge multiplexés (DIS 739) sur le panneau avant ont leurs anodes reliées aux sorties correspondantes des TMS 3874 NL à travers des résistances de 620 ohms, les cathodes multiplexées étant commandées par des MPSA 13.

Le signal de contrôle test automatique résulte d’une division du signal 50 Hz par 100 (HEF 4518) puis par (212 + 211 + 210 + 25) (HEF 4020 connecté en binaire prépositionnable au moyen de 4 × 1 N 4148 + 1/2 4528), la durée de l’impulsion test automatique étant déterminée par le second monostable (1/2 4528) temporisé par 1 M 8 + 68 F.

La périodicité de test est 4h; pour obtenir une périodicité de 8h ou 16h, il suffit de déplacer les points de connection des cathodes des 1 N 4148 de façon à diviser par (213 + 212 + 211+ 26) ou (214+ 213 + 212 + 27).

IV.3 Carte Mesure.

La carte mesure modifiée (version finale « 1981 ») est schématisée figure 27 et visible figure 28.

Le signal issu du préamplificateur à faible bruit de gain 40 incorporé dans le boîtier du détecteur infra-rouge (figures 30 et 31) est transmis par un câble avec connecteur Socapex à l’embase Socapex « Détecteur » sur le panneau arrière du tiroir « Centrale de Contrôle ».

Les raccordements sur la carte mesure sont effectués par connecteurs Molex afin de faciliter son démontage.

L’entrée(E) est connectée à un réjecteur d’harmonique suivi d’un amplificateur sélectif à deux étages (TL 082). La sortie du deuxième étage est reliée à l’embase Contrôle (« CTRL ») du panneau arrière. Le signal alternatif est redressé par un amplificateur détecteur bialternance (TL 082 + 2 × 1 N4148), dont la symétrie est réglée au moyen du potentiomètre S de 100 k et le coefficient d’amplification au moyen du potentiomètre G de 10 K, ce dernier étant réglé de façon à ce qu’une concentration différentielle d’eau lourde égale à 100 ppm corresponde à une tension de 1 V sur la ligne intérieure SC/M.

La tension de sortie du détecteur bialternance, limitée par (1,5 k + 4 × 1 N 4151) est inversée par C 13 (1/2 TL 082), commandant la ligne SC/M (Cf. figure 23) et convertie en courant (0 à 20 mA) par C 14 (AD 542 Analog Device) et un émetteur suiveur (2 N 2219). L’offset de C 14 est annulé par le potentiomètre D de 10 k. la sortie boucle de courant (0 à 20 mA) est reliée à l’embase Socapex sur le panneau arrière (câble relié à la salle de contrôle).

IV.4 Carte Relais.

Elle est schématisée figure 29. Le principe de fonctionnement a été exposé page 12.

Le comparateur CA 3131 E, associé au double monostable 4528 et à une bascule JK 4027, constitue le circuit de détection automatique d’arrêt accidentel du moteur, déclenchant par l’intermédiaire d’un MPSA 13 la procédure redémarrage moteur. Cette procédure est automatiquement initialisée à la mise sous tension du tiroir par la charge d’un condensateur de 10 F.

Le second MPSA 13 constitue l’élément actif de l’opérateur DTL déclenchant l’alarme en salle de contrôle par défaut.

V. PREAMPLIFICATEUR + DETECTEUR AU SELENIURE DE PLOMB.

Le détecteur infra-rouge est installé, ainsi que son préamplificateur sur la platine optique (Cf. figure 1 ; à droite, caché par la cellule de mesure).

Le boîtier est visible figure 31 et le préamplificateur est schématisé figure 30.

Le détecteur I.R. est du type 2-274 (IR Industries Incorporated) (figure 32), avec refroidissement thermoélectrique et CTN de contrôle incorporé.

Il est polarisé sous 200 V et chargé par une résistance de 1 M 8 (couche métallique ; faible bruit). Le préamplificateur est constitué d’un JFET (2 N 4416), monté en source-suiveur (chargé par un autre 2 N 4416), monté en générateur de courant), commandant un amplificateur opérationnel à faible bruit (TL 071 ou équivalent) connecté en amplificateur de tension.

A l’attention de Mr LEDOUX,

S.P.S. Réacteur ORPHEE

Le 06 octobre 1986

MAINTENANCE ET FIABILITE DU DISPOSITIF DOSEUR INFRA-ROUGE SMIR

Par : Oleg Eric ANITOFF, Chargé de Recherche au CNRS,

Centre d’Etudes Nucléaires de Saclay, DESIPC/DPC/SPP

Rappel : Causes de pannes sur un système

Le doseur SMIR est un dispositif devant fonctionner en continu sans défaillance des circuits de sécurité pendant 10 à 20 ans, soit 100 à 200 kiloheures.

Les défaillances résultent de deux classes de causes :

1) Causes accidentelles, dépendant de l’intervention humaine ou de causes extérieures :

Fuite d’eau tombant sur les circuits électriques (le dispositif n’est pas étanche au ruissellement et n’a pas lieu de l’être, pourvu que des dispositions de déflection de ruissellement soient prises en cas de rupture d’une fenêtre ou conduite) ;

Choc mécanique (pas de cause intrinsèque) ; Erreur de branchement électrique (peu probable puisque le système est branché en

permanence, et qu’un interrupteur unique commande par relais tous les circuits électriques des différentes parties.

2) Le vieillissement : son effet principal est la migration de défauts dans les semi-conducteurs (en première approximation loi exponentielle d’Arthénius), sous l’effet de trois variables :

2.1 L’irradiation par particules neutres ou chargées (dose maximum avant panne : 1 à 3 Mrad dans le Silicium, 10 à 100 Mrad dans l’AsGa), rencontré ici uniquement dans les diodes électroluminescentes des afficheurs et diodes de contrôle, l’optocoupleur de relai de test automatique et l’optocoupleur réflectif de détection synchrone, qui est le seul organe de sécurité, avec les optocoupleurs de contrôle des tensions source et tiroir moteur de chopper).

Cet effet est négligeable ici (sauf fuite accidentelle de radioactivité).

D’autre part, la température de service de l’appareil est un peu plus élevée que 25°C (35°C), mais le nombre de composants critiques est surestimé (quelques dizaines de composants critiques ne sont activés que momentanément avec des rapports d’activation très faible, en particulier les diodes de commutation 1N 4148, par ailleurs extrêmement fiables (jusqu’à

probablement 10 heures), donc le MTTF des semi-conducteurs est estimable à 80 20 kiloheures.

Les autres composants critiques sont les condensateurs électrolytiques à l’aluminium, au nombre de 4 dans les fonctions de sécurité (alimentation 15 V, 12 V, 5 V, 100 V).

Le MTTF garanti par le constructeur aux limites de fonctionnement est de 20 kiloheures, et on peut estimer à 100 kiloheures le MTTF à charge réduite comme cela est le cas ici ; en particulier, grâce à la ventilation (le MTTF des ventilateurs doit aussi être considéré, de l’ordre de 50 kiloheures).

Ces estimations sont d’ailleurs effectivement pessimistes par rapport aux résultats obtenus (pas de défaillance en 70 kiloheures). On peut d’ailleurs envisager l’emploi de condensateurs haute fiabilité (pour applications aéronautiques).

Maintenance proposée :

Nous proposons la réalisation du duplicata de préamplificateur détecteur et des cartes.

Cette réalisation pourrait être confiée à la société ATHOMELEC, qui dispose d’une grande expertise en circuits haute fiabilité (en particulier pour les Sociétés INEL (Instrumentation Nucléaire Electronique), METROLOGIE (périinformatique), NOVELEC (Instrumentation Nucléaire).

Ceci devrait faire l’objet d’un accord des Services concernés.

Oleg Eric ANITOFF

2.2 Migration activée thermiquement dans le potentiel électrique de fonctionnement :

Cette effet dépend exponentiellement de la température maximum admissible pour le silicium varie entre 100 et 200°C selon l’encapsulage. A 25°C, le temps moyen avant panne (MTTF : Mean Time To Failure) est de l’ordre de 10 heures.

Le temps moyen avant panne pour un sous système, tel qu’une carte, est pour des composants critiques fonctionnant à même température et en dessous d’un certain seuil de densité de courant critique (par exemple 100 amère/mm2), égal au MTTF moyen divisé par le nombre de composants critiques.

Le dispositif SMIR se compose de 7 sous-ensembles critiques essentiels aux fonctions de sécurité, dont on va énumérer le nombre de composants critiques :

Sous ensembles critiques Nombre de composants critiques

Carte alimentation sourceCarte alimentation moteur

Carte commande moteurCarte alarmes

Carte détection synchroneCarte relais

Carte horlogePréamplificateur détecteur

181740421512144

Le nombre total de composants semiconducteurs de sécurité est donc 162, soit un MTTF total de l’ordre de 107/162 : 62 Kiloheures.

Cette estimation (soit 6 ans et demi avant panne de 1 composant) est probablement justifiée : le dispositif étant construit depuis mai 1979 (noté sur le panneau avant des appareils), un seul composant a dû être changé depuis (soit 7 ans et demi) pour cause de vieillissement (le TL082 de l’alimentation source).

2.3 Effet d’électromigration

Cet effet est important dans les dispositifs à densité de courant très élevée (de 100 à 10 000 Ampères/mm2), qui ne se rencontre pas ici (en l’occurrence dans les alimentations de forte puissance (au dessus de quelques kilowatts) et émission radiofréquence/hyperfréquence).

B 6724.3 DC

BREVET EUROPEEN

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SYSTEM DE TRAITEMENT ET DE MESURE DES SIGNAUX DELIVRES PAR CHAQUE DETECTEUR DANS UN SPECTROMETRE A MODULATION

Invention de : Oleg ANITOFF

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COMMISSARIAT A L’ENERGIE ATOMIQUE

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La présente invention concerne un système de traitement et de mesure des signaux délivrés par chaque détecteur, dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux. Elle s’applique à la simplification des spectromètres à modulation destinés par exemple au dosage simultané de plusieurs composés dissous dans un solvant.

Parmi les analyseurs spectrométriques connus, certains comprennent une source de lumière associée à des moyens qui permettent de diviser le faisceau de lumière de la source, en plusieurs faisceaux, les uns de référence, les autres de mesure ; les faisceaux de mesure traversent l’échantillon.

Les énergies des faisceaux de référence et de mesure sont mesurées sur des périodes très courtes. Ces périodes correspondent à la fréquence de modulation des faisceaux ; cette modulation est réalisée par des moyens électro-optiques qui sont généralement constitués par un disque tournant, portant des secteurs opaques et transparents alternés, se déplaçant de manière à couper les deux faisceaux. L’énergie transmise par l’échantillon et l’énergie du )faisceau de référence, sont détectés par des moyens de mesure permettant de mesure la différence des énergies des faisceaux de référence et de mesure, et ainsi de déterminer l’absorption lumineuse plus ou moins grande de l’échantillon. Ces mesures d’absorption lumineuse peuvent être effectuées à différentes longueurs d’ondes ; il suffit pour cela de sélectionner, grâce à des moyens appropriés, les longueurs d’ondes des faisceaux de référence et de mesure, en fonction de l’échantillon à étudier. Les moyens de détection des énergies des faisceaux de référence et de mesure comprennent, pour chaque longueur d’onde sélectionnée, un détecteur photo-électrique sensible à cette longueur d’ondes et pour chacun des ces détecteurs, une chaîne d’amplification de signal issu du détecteur correspondant ; la sortie de cette chaîne est reliés aux moyens de mesure. Ces détecteurs reçoivent alternativement les faisceaux de référence et de mesure grâce aux moyens de modulation décrits plus haut.

Les spectromètres qui sont mentionnés plus haut sont des spectromètres à deux voies (agissant à deux longueurs d’ondes 1 et 2 et à double faisceau (l’un de référence, l’autre de mesure), ou des spectromètres à une seule voie (agissant à une longueur d’onde) et à double faisceau.

Traditionnellement, les analyseurs spectrométriques qui permettent d’analyser des échantillons, notamment dans le domaine infra-rouge, mettent en œuvre, une préamplification du signal fourni par un détecteur infra-rouge et une détection synchrone réalisée grâce à un signal de synchronisation prélevé sur les moyens de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Cette détection synchrone présente un inconvénient majeur : elle complique beaucoup les circuits de traitement et de mesure des signaux issus des détecteurs et par conséquent, rend très onéreux les spectromètres qui l’utilisent. De plus, cette détection synchrone exige que le bruit ne présente aucune relation de phase avec le signal de synchronisation issu des moyens de modulation ; enfin, la constante de temps du filtrage réalisé après détection synchrone des faisceaux de mesure et de référence, doit être plus grande que la période de fluctuation de plus basse fréquence du bruit.

L’invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de simplifier les circuits de traitement et de mesure des signaux issus des détecteurs dans un spectromètre à

modulation de faisceaux lumineux. Elle permet également d’éviter d’adjoindre au moyen de détection, un filtre présentant une constante de temps trop longue, grâce à l’utilisation d’un filtre électrique actif.

L’invention a pour objet un système de traitement et de mesure des signaux délivrés par chaque détecteur, dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux, comprenant pour chaque détecteur, et des moyens de mesure, connectés en sortie de chaque chaîne d’amplification ; ce système est caractérisé en ce que la chaîne d’amplification comprend au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux.

Selon une autre caractéristique de l’invention, la chaîne d’amplification comprend en outre un filtre électrique actif, accordé sur une fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux, ce filtre est connecté entre la sortie de l’amplificateur correspondant et les moyens de mesure.

Selon une autre caractéristique, le spectromètre comprenant des moyens de modulation des faisceaux constitués par un disque tournant présentant des secteurs opaques et transparents alternés devant chacun des faisceaux devant chacun des faisceaux, le système comprend des moyens pour entraîner le disque en rotation, ces moyens étant pilotés par un oscillateur à quartz.

Selon une autre caractéristique de l’invention, les moyens d’entraînement du disque tournant comprennent un moteur synchrone alimenté par un convertisseur continu alternatif piloté par l’oscillateur à quartz, ce convertisseur étant alimenté par une source électrique de courant continu.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur continu alternatif piloté par l’oscillateur à quartz alimente en outre la chaîne d’amplification, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu.

Selon une autre caractéristique, les moyens d’entraînement du disque tournant comprennent un moteur pas à pas alimenté par un convertisseur alternatif-continu, par l’intermédiaire d’un circuit logique de commande, piloté par l’oscillateur à quartz.

Selon une autre caractéristique, les faisceaux lumineux sont produits par une source lumineuse, de type halogène ou de type « à carbure de silicium ».

Selon une autre caractéristique, ledit détecteur est en outre alimenté par un générateur de courant, lui-même alimenté par la source électrique de courant continu.

Selon une autre caractéristique, un convertisseur alternatif-continu alimente au moins l’un des détecteurs.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente le détecteur par l’intermédiaire d’un générateur de courant.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente le détecteur de l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente la chaîne d’amplification.

Enfin, selon une caractéristique particulière, le convertisseur alternatif-continu est alimenté par une de type « Secouru ».

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un système conforme à l’invention, dans un spectromètre à modulation de faisceaux, à deux voies ;

La figure 2 représente de manière plus détaillés, la chaîne d’amplification du système de l’invention ;

La figure 3 représente un autre mode de réalisation du système de l’invention, dans un spectromètre à modulation de faisceaux à une voie ;

La figure 4 représente un filtre passe-bas classique d’ordre 2 ; La figure 5 est un schéma équivalent du filtre rejecteur double T de la figure 3 ; Les figures 6 et 7 représentent deux autres modes de réalisation de ce filtre

rejecteur double T.

La figure 1 représente un mode de réalisation d’un système conforme à l’invention et permettant le traitement et la mesure des signaux délivrés par chaque détecteur 2, 3 dans un spectromètre 1, à modulation de faisceaux lumineux émis par une source lumineuse 4 constituée de préférence, par une lampe de type halogène très stable ou par une lampe au carbure de silicium connue sous la dénomination commerciale « GLOBAR ». Le spectromètre, représenté schématiquement en 1 sur la figure, est par exemple, un spectromètre à deux voies, de type connu, comprenant notamment deux détecteurs 2, 3 sensibles respectivement à deux longueurs d’onde différentes.

Ce spectromètre comprend également des moyens non représentés qui permettent de diviser le faisceau de lumière de la source, en faisceaux de référence et de mesure. De manière connue, le faisceau de mesure traverse un échantillon à analyser et on mesure la différence des énergies entre les faisceaux de référence et de mesure.

Enfin, le spectromètre comprend des moyens de modulation, constitués par un disque tournant 6, entraîné par un moteur 7 et présentant des secteurs opaques et transparents alternés. Les détecteurs 2, 3 permettent de détecter les énergies des faisceaux de référence et de mesure, pour chacune des longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre. Ces détecteurs reçoivent alternativement les faisceaux de référence et de mesure, grâce aux secteurs opaques et transparents alternés du disque tournant 6. Il est bien évident que le nombre de ces détecteurs a été limité à deux, mais qu’il pourrait être différent.

Le système de traitement et de mesure, conforme à l’invention comprend des chaînes d’amplification 8, 9 connectées en sortie de chacun des détecteurs, et des moyens de mesure

10, connectés aux sortie des chaînes d’amplification 8, 9. Ces chaînes d’amplification peuvent bien entendu, permettre l’observation des courbes d’analyse sur un oscilloscope 11.

Les longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre correspondent bien entendu, aux composants de l’échantillon qui absorbent respectivement des radiations dans ces longueurs d’onde. Lorsque les secteurs opaques et transparents alternés du disque défilent devant chacun des faisceaux de référence et de mesure, chaque détecteur reçoit alternativement la lumière transmise par l’échantillon et la lumière du faisceau de référence. Les détecteurs 2, 3 délivrent donc des signaux alternatifs déphasés par exemple de 180° ou 90°, selon que le disque tournant présente deux ou quatre secteurs. Dans l’état connu de la technique, les chaînes d’amplification 8, 9 sont synchronisées sur le signal fourni par un détecteur optique par exemple, situé en regard du disque tournant 6. Comme on l’a indiqué précédemment, ce type de synchronisation a pour principal inconvénient de rendre les mesures très sensibles au bruit qui accompagne les signaux de mesure, ce bruit pouvant être en phase avec les signaux de modulation. De plus, cette synchronisation a pour principal inconvénient de rendre les mesures très sensibles au bruit qui accompagne les signaux de mesure, ce bruit pouvant être en phase avec les signaux de modulation. De plus, cette synchronisation complique les circuits de traitement et de mesure, associés au specromètre.

Dans le système de traitement et de mesure, conforme à l’invention, la chaîne d’amplification qui est associée à chacun des détecteurs, comprend au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Cette chaîne d’amplification sera décrite plus loin en détail. Elle a pour principal avantage, comme mentionné plus haut, de supprimer toute synchronisation à partir d’une détection de la fréquence du disque tournant. Comme on le verra plus loin en détail, chaque chaîne d’amplification comprend en outre un filtre électrique actif, accordé sur la fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux et connecté entre la sortie de chaque amplificateur et les moyens de mesure 10. Dans le système de l’invention, le moteur 7 qui entraîne le disque tournant 6, est de type synchrone, alimenté par un convertisseur continu-alternatif 12 piloté par un oscillateur à quartz 13. Ce moteur peut aussi être un moteur pas à pas piloté par quartz. Ce convertisseur continu-alternatif est lui-même alimenté par une source électrique de courant continu 14. Cette source électrique du courant continu, peut être constituée soit par une alimentation stabilisée 15 en courant continu, elle-même alimentée par la tension du secteur alternatif 16, soit par une batterie d’accumulateurs 17. Un commutateur 18 à deux positions, commandable soit électriquement, soit manuellement, permet d’alimenter les différents moyens du système de traitement et de mesure, à partir de la batterie d’accumulateurs 17 en cas de panne du secteur 16. La source d’alimentation stabilisée 15 ainsi que le convertisseur continu-alternatif 12 piloté par l’oscillateur à quartz 13 sont classiques dans l’état de la technique et ne seront pas décrits plus en détail. Le convertisseur alimente également les chaînes d’amplification 8, 9 par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu 19. La source lumineuse 4 est alimentée directement par l’alimentation stabilisée 14. L’alimentation stabilisée 14.A titre d’exemple, pour le système de traitement et de mesure représenté sur la figure, l’alimentation stabilisée 15 est une alimentation 220V alternatif 24V continu, le convertisseur continu –alternatif 12 est un convertisseur 24 V continu 220V alternatif, tandis que le convertisseur alternatif continu 19

est un convertisseur 220V alternatif 15V continu. Si les analyses sont à réaliser dans des longueurs d’onde fixes, par exemple pour le dosage d’éléments contenus dans une solution, on utilise des détecteurs infra-rouges qui présentent un très grand rapport signal/bruit, dans un domaine de longueurs d’onde assez étroit. C’est ainsi par exemple, que le détecteur 3 est un détecteur Se-Pb, présentant une bande passante allant de 3 à 7 microns, refroidi par effet Peltier. Le détecteur 2 est une photodiode de type PIN au silicium qui présent une bande passante inférieure à 1 micron. Le détecteur 3 est alimenté par le convertisseur continu-alternatif 12, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu 20 qui fournit à ce détecteur une tension continue de 90V par exemple, et par l’intermédiaire d’un générateur de courant continu. Ce générateur de courant permet de refroidir le détecteur 3 par effet Peltier. Ainsi, dans le système qui vient d’être décrit, les chaînes d’amplification comprennent au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Les chaînes d’amplification, comme on le verra par suite, sont simples puisqu’ elles utilisent des circuits qui interviennent dans les chaînes d’amplificateur opérationnel.

En référence à la figure 2, on a représenté plus en détail les circuits qui interviennent dans les chaîne d’amplification 8, 9 et qui comprennent, tout d’abord, un adaptateur d’impédance 24 constitué par un montage classique à amplificateur opérationnel, alimenté par une tension continue de 15V délivrée par le convertisseur alternatif-continu 19. L’entrée 25 de cet adaptateur d’impédance est reliée, soit directement à le sortie du détecteur 2, pour la chaîne d’amplification 8, soit à la sortie d’un préamplificateur, non représenté et constitué de manière connue, pur la chaîne d’amplification 9 qui est connectée à la sortie du détecteur 3. L’amplificateur opérationnel 25 est alimenté par une tension continue de ± 15V, fournie par le convertisseur alternatif-continu 19 ; les autres éléments de cet adaptateur qui est constitué de manière connue, ne sont pas référencés sur la figure 2. M représente sur cette figure la masse de référence. La sortie 27 de l’adaptateur 24 est reliée à l’entrée 28 d’un amplificateur sélectif 29, dont la bande centrale est de 30Hertz par exemple, dans le mode de réalisation du système selon l’invention. Cet amplificateur sélectif, constitué lui aussi de manière connue, comprend un amplificateur opérationnel 30 alimenté par une tension continue de ± 15V fournie par le convertisseur alternatif-continu 19. Les autres éléments de cet amplificateur 29 sont reliés à l’entrée 32 d’un détecteur bi alternance 33, par l’intermédiaire d’un condensateur de découplage 34. Ce détecteur est lui-même constitué de manière connue par un circuit comprenant deux amplificateurs opérationnels 35, 36 et des diodes 27, 38 ainsi que d’autres éléments non référencés sur la figure. Les amplificateurs alternatif-continu 19. La sortie 39 du détecteur 33, peu être reliée à l’entrée des moyens de mesure 10, par exemple par l’intermédiaire d’un filtre actif rejecteur de bande 40, dit «rejecteur double T», qui permet, par exemple, d’éliminer la composante à 60 Hertz de la tension fournie par la chaîne d’amplification ; ce filtre rejecteur de bande est constitué de manière connue : ses éléments ne sont référencés sur la figure. Sa sortie 41 peut être reliée à l’entrée des moyens de mesure 10, par exemple par l’intermédiaire d’un amplificateur adaptateur d’impédance 42 et d’un filtre 43, qui sont constitués de manière connue et dont les éléments n’ont pas été référencés sur la figure. Dans l’exemple de réalisation décrit, le filtre rejection de bandes provoque une rejection à 60 Hertz, ce qui permet d’utiliser, comme

moyen de mesure 10, un voltmètre classique, de type continu. L’amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure, permet d’accroître la valeur du rapport signal/bruit tandis que le filtre actif accordable sur la fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux permet également d’éliminer tout bruit gênant dans le signal utile. La fréquence de modulation est très stable, puisque le moteur 7 qui entraîne le disque tournant 6, est un moteur synchrone alimenté par le convertisseur à quartz 13. Ainsi, tous les circuits et moyens représentés, sont alimentés par l’intermédiaire d’une batterie d’accumulateurs ou d’une source d’alimentation unique, qui évite toute perturbation d’amplitude ou de fréquence, ce qui est particulièrement important pour les applications médicales du spectromètre. L’emploi sur des voies d’un détecteur 3 refroidi par effet Peltier, grâce au générateur de courant 21, permet de contrôler de manière simple le gain sur cette voie, ce qui peut être très intéressant, notamment pour la mise en service du spectromètre. En cas de panne du secteur ce spectromètre, grâce au système de l’invention, peut fonctionner de manière autonome sur la batterie d’accumulateurs 17. Les différents convertisseurs ainsi que le générateur de courant, qui sont constitués de manière connue, ne sont pas décrits en détail.

En référence à la figure 3, on a représenté un mode de réalisation du système de l’invention, appliqué à un spectromètre à modulation de faisceau, à une voie. Les même éléments portent les mêmes références sur cette figure et sur la figure 1.On a représenté en 1, de manière non détaillée, le spectromètre qui dans ce mode de réalisation est un spectromètre à modulation de faisceau, à une seule voie et qui comprend notamment un détecteur 3 et une source lumineuse 4, comparables au détecteur et à la source du spectromètre de la figure 1. On a représenté en 9 la chaîne d’amplification dont le détail est donné à la figure 2, tandis que la référence 10 désigne les moyens de mesure connectés à la sortie de cette chaîne d’amplification et que la référence 11 désigne des moyens de visualisation des signaux de sortie de la chaîne d’amplification, constitués par exemple, par un oscilloscope à tube cathodique. Le disque tournant 5 qui comprend des secteurs 6 transparents et opaques alternés, est entraîné par des moyens 7 constitués par un moteur, piloté par l’oscillateur à quartz 13. Dans ce mode de réalisation, le moteur de type pas à pas, alimenté par un convertisseur alternatif continu 50 par l’intermédiaire d’un circuit logique de commande 51, piloté par l’oscillateur à quartz 13. Ce convertisseur alternatif continu alimente le détecteur 3 par l’intermédiaire du générateur de courant 21 et par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu 52. Il alimente également la chaîne 9 d’amplification ; il est bien évidant, que dans ce mode de réalisation, le spectromètre étant à une seule voie, une seule chaîne d’amplification est représentée sur le schéma. Enfin, le convertisseur alternatif continu 50 est alimenté en 52 par une ligne non représentée, qui peut être de type « Secouru », en cas de panne du réseau sur lequel est branchée cette ligne. Cette ligne de type « Secouru » n’est pas représentée en détail mas il est connu dans l’état de la technique, d’utiliser un système de secours, en cas de panne de réseau.

Il est bien évident, que le système qui est décrit dans ce mode de réalisation et qui est appliqué à un spectromètre à modulation de faisceaux, à une seule voie, pourrait être appliqué au spectromètre à modulation de faisceaux à deux voies, représenté sur la figure 1. Il est bien évident, aussi qu’un seul convertisseur alternatif continu a été représenté sur la

figure pour alimenter le générateur de courant 21, le convertisseur continu-continu 51 et la chaîne d’amplification 9, mais qu’il aurait été possible d’utiliser un convertisseur alternatif-continu pour alimenter un convertisseur alternatif-continu pour alimenter respectivement chacun de ces éléments, chacun de ces convertisseurs étant relié à la ligne de type «secouru ». Dans ce deuxième mode de réalisation du système conforme à l’invention, le spectromètre comporte un seul détecteur qui peut être un détecteur Ps-Se, refroidi par effet Peltier, sensible à une longueur d’onde de quatre microns, comme dans le premier mode de réalisation. La source lumineuse 4 peut être comme dans le premier mode de réalisation, une source de type halogène ou une source à carbure de silicium, connue sous la dénomination commerciale « GLOBAR »

La figure 4 représente un filtre passe-bas classique d’ordre 2. Ce filtre n’est pas utilisé dans l’invention car il présente des inconvénients. Il est par contre utilisé à la sortie des détecteurs synchrones conventionnels pour filtrer les signaux de sortie de ces détecteurs. Il est constitué par la mise en cascade de deux filtres d’ordre (filtre et post-filtreL'un des objets de l'invention est de mettre en évidence le fait qu’à rejection de l’ondulation résiduelle égale, un réjecteur accordé (double T) permet un temps de réponse plus court, ou ce qui est équivalent, qu’à temps de réponse égale, la réjection de l’ondulation résiduelle apportée par un réjecteur accordé, est meilleure.

Si l’on désigne par E et S l’entrée et la sortie du filtre représenté sur la figure et par C et R les valeurs respectives des résistances et condensateurs qui le constituent, le temps de réponse de ce filtre est T1=2RC.

La figure 5 est un schéma équivalent du filtre réjecteur double T, 40, de la figure 2, suivi de l’amplificateur opérationnel A du circuit adaptateur d’impédance 42. Sur la figure 5, on a désigné les résistances et condensateur par les valeurs respectives R, R/2, C, 2C. En signal carré, le réjecteur en double T se comporte comme un différentiateur de constante de

temps RC2

(branche inférieur) en parallèle sur un intégrateur (filtre passe-bas d’ordre

de circonstance de temps T2=R.2C=T. donc, hormis un bref transitoire dû à la branche différenciatrice, les deux circuits ont le même temps de réponse en régime impulsionnel.

Considérons maintenant la rejection apportée en régime sinusoïdal par les filtres des figures 4 et 5, la fréquence choisie étant la fréquence d’accord du filtre en double T :

F=1/2 ∏ RC

Pour le rejecteur en double T, la réjection de la fréquence d’accord est théoriquement infinie. Pratiquement, avec composants de tolérance courante (5%), elle est d’au moins (40dB).

Pour le rejecteur passif d’ordre 2, la réjection est de 12dB (résultat de la théorie élémentaire des filtres RC), soit trente fois moins bonne qu’avec le rejecteur dans le plus mauvais cas.

Grâce à un autre mode de réalisation du filtre rejecteur double T, représenté sur la figure 6 et qui peut être utilisé dans l’invention, il est possible de réduire le temps de réponse du rejecteur en double T sans altérer ses qualités de réjection, par l’emploi de deux diodes antiparallèles dont l’impédance est très élevée si l’amplitude du signal d’entrée (D1, D2) (ondulation résiduelle) est inférieur à leur tension de seuil (0,6V pour les diodes au silicium de type IN4I48), et devient faible, annulant ainsi la constante de temps de filtre, si la tension d’entrée varie de plus de 0,6V pendant un temps inférieur à la constante de temps du réseau en double T. sur cette figure, R, R/2, C et 2C désignent les valeurs des résistance et condensateurs correspondants.

La figure 7 représente un autre mode de réalisation du filtre rejecteur double T, qui peut être utilisé dans l’invention. Dans ce mode de réalisation, on introduit à la base du rejecteur en double T une réaction variable, en réinjectant une partie de la tension de sortie de l’amplificateur opérationnel. Cette réaction augmente en fait le coefficient de surtension du rejecteur qui devient alors un véritable filtre actif.

1. Système de traitement et de mesure des signaux délivrés par chaque détecteur (2, 3) dans un spectromètre (1) à modulation de faisceaux lumineux, comprenant pour chaque détecteur (2, 3) une chaîne d’amplification (8, 9) des signaux délivrés par ce détecteur et, des moyens de mesure (10) connectés en sortie de la chaîne d’amplification, chaque chaîne d’amplification (8, 9) comprenant au mois un amplificateur sélectif (29) accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux, suivi d’un détecteur bi alternance (33) des signaux provenant de l’amplificateur sélectif, caractérisé en ce que chaque chaîne d’amplification (8, 9) comprend en outre un filtre électrique actif (40) rejetant l’ondulation de fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux, ce filtre (40) étant connecté entre une sorite du détecteur bi alternance (33) et une entrée des moyens de mesure (10).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en que le spectromètre comprenant des moyens de modulation des faisceaux constitués par un disque tournant (6) présentant des secteurs opaques et transparents alternés devant chacun des faisceaux, le système comprend des moyens (7, 12) pour entraîner ce disque (6) en rotation, ces moyens étant pilotés par un oscillateur à quartz (13).

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner le disque tournant (6) comprennent un moteur synchrone (7) alimenté par un convertisseur continu alternatif (12) piloté par l’oscillateur à quartz (13) ce convertisseur étant alimenté par une source électrique (14) de courant continu.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le convertisseur continu-alternatif (12) piloté par l’oscillateur à quartz (13) aliment en outre la chaîne d’amplification (8, 9) par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu (19).

5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner le disque tournant (6) comprennent un moteur (7) pas à pas alimenté par un convertisseur alternatif-continu (50),par l’intermédiaire d’un circuit logique (51) de commande, piloté par l’oscillateur à quartz (13).

6. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le faisceau lumineux est produit par une source lumineuse (4) de type halogène ou de type à carbure de silicium.

7. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le convertisseur continu-alternatif (12) piloté par l’oscillateur à quartz (13) alimente en outre au moins l’un des détecteurs (3), par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu (20).

8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit détecteur (3) est en outre alimenté par un générateur de courant (21) lui-même alimenté par la source électrique de courant continu (14).

9. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu(50) alimente en outre au moins l’un des détecteurs (3)

10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu (50) alimente en outre le détecteur (3) par l’intermédiaire d’un générateur de courant (21)

11. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu (50) alimente en outre le détecteur (3) par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu (52).

12. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif continu (50) alimente en outre la chaîne d’amplification (9).

13. Système selon l’une quelconque des revendications 5, 9 à 12, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu (50) est alimenté par une ligne (52) de type « secouru ».

14. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le filtre électrique actif (40) est un filtre rejecteur de bande, de type double T.

DEMANDE DE BREVET DEMANDE DE BREVET

FRANCEFRANCE

La présente invention concerne un système concerne un système de traitement et de mesure des signaux délivrés par chaque détecteur, dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux. Elle s’applique à la simplification des spectromètres à modulation destinés par exemple au dosage simultané de plusieurs composés dissous dans un solvant.

Parmi les analyseurs spectrométriques connus certains comprennent une source de lumière associée à des moyens qui permettent de diviser le faisceau de lumière de la source, en plusieurs faisceaux, les uns de référence, les autres de mesure ; les faisceaux de mesure traversent l’échantillon.

Les énergies des faisceaux de référence et de mesure sont mesurées sur des périodes très courtes. Ces périodes correspondent à la fréquence de modulation des faisceaux ; cette modulation est réalisée par des moyens électro-optiques qui sont généralement constitués par un disque tournant, pourtant des secteurs opaques et transparents alternés, se déplaçant de manière à couper les deux faisceaux. L’énergie transmise par l’échantillon et l’énergie du faisceau de référence, sont détectées par des moyens électro-optiques de détection qui sont associés à des moyens de mesure permettant de mesurer la différence des énergies des faisceaux de référence et de mesure, et ainsi de déterminer l’absorption lumineuse plus ou moins grande de l’échantillon. Ces mesures d’absorption peuvent être effectuées à différentes longueur d’ondes ; il suffit pour cela de sélectionner, grâce à des moyens appropriés, les longueurs d’ondes des faisceaux de référence et de mesure, en fonction de l’échantillon à étudier. Les moyens de détection des énergies des faisceaux de référence et de mesure comprennent, pour chaque longueur d’ondes sélectionnée, un détecteur photo-électrique, sensible à cette longueur d’ondes et pour chacun de ces détecteurs, une chaîne d’amplification du signal issu du détecteur correspondant ; la sortie de cette chaîne est reliée aux moyens de mesure. Ces détecteurs reçoivent alternativement les faisceaux de référence et de mesure grâce aux moyens de modulation décrits plus haut.

Les spectromètres qui sont mentionnés plus haut sont des spectromètres qui sont mentionnés plus haut sont des spectromètres à deux voies (agissant à deux longueurs d’ondes λ1 et λ2) et à double faisceau (l’un de référence, l’autre de mesure), ou des spectromètres à une seule voie (agissant à une longueur d’onde) et à double faisceau.

Traditionnellement, les analyseurs spectrométriques qui permettent d’analyser des échantillons, notamment dans le domaine infra-rouge, mettent en œuvre, une préamplification du signal fourni par un détecteur infra-rouge et une détection synchrone réalisée grâce à un signal de synchronisation prélevé sur les moyens de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Cette détection synchrone présente un inconvénient majeur : elle complique beaucoup les circuits de traitement et de mesure des signaux issus des détecteurs et par conséquent, rend très onéreux les spectromètres qui l’utilisent. De plus, cette détection synchrone exige que le bruit ne présente aucune relation de phase avec le signal de synchronisation issu des moyens de modulation ; enfin, la constante de temps du filtrage réalisé après détection synchrone des faisceaux de mesure et de référence, doit être plus grande que la période de fluctuation de plus basse fréquence du bruit.

L’invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de simplifier les circuits de traitement et de mesure des signaux issus des détecteurs dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux. Elle permet également d’éviter d’adjoindre au moyen de détection, un filtre présentant d’adjoindre au moyen de détection, un filtre présentant une constante de temps trop longue, grâce à l’utilisation d’un filtre rejecteur.

L’invention a pour objet un système de traitement et de mesure des signaux délivrés par un chaque détecteur, dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux, comprenant pour chaque détecteur, une chaîne d’amplification des signaux délivrés par ce détecteur et, des moyens de mesure, connectés en sortie de chaque chaine d’amplification ; ce système est caractérisé en ce que la chaîne d’amplification comprend au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux.

Cette amplification relative _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Selon une autre caractéristique de l’invention, la chaîne d’amplification comprend en outre un filtre électrique actif, accordé sur une fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux, ce filtre est connecté entre la sortie de l’amplificateur correspondant et les moyens de mesure.

Selon une autre caractéristique, le spectromètre comprenant des moyens de modulation des faisceaux constitués par un disque tournant présentant des secteurs opaques et transparents alternés devant chacun des faisceaux, le système comprend des moyens pour entraîner le disque en rotation, ces moyens étant pilotés par un oscillateur à quartz.

Selon une autre caractéristique de l’invention, les moyens d’entraînement du disque tournant comprennent un moteur synchrone alimenté par un convertisseur continu alternatif piloté par l’oscillateur à quartz, ce convertisseur étant alimenté par une source électrique de courant continu.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur continu alternatif piloté par l’oscillateur à quartz alimente en outre la chaîne d’amplification, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu.

Selon une autre caractéristique, les moyens d’entraînement du disque tournant comprennent un moteur pas à pas alimenté par un convertisseur alternatif-continu, par l’intermédiaire par d’un circuit logique de commande, piloté par l’oscillateur à quartz.

Selon un autre caractéristique, le convertisseur continu-alternatif piloté par l’oscillateur à quartz, alimente en outre au moins l’un des détecteurs, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu.

Selon une autre caractéristique, ledit détecteur est en outre alimenté par un générateur de courant, lui-même alimenté par la source électrique de courant continu.

Selon une autre caractéristique, un convertisseur alternatif-continu alimente au moins l’un des détecteurs.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente le détecteur par l’intermédiaire d’un générateur de courant.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente le détecteur par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu.

Selon une autre caractéristique, le convertisseur alternatif-continu alimente la chaîne d’amplification.

Enfin, selon une caractéristique particulière, le convertisseur alternatif-continu est alimenté par une ligne de type « secouru ».

D’autre caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un système conforme à l’invention, dans un spectromètre à modulation de faisceaux, à deux voies ;

- la figure 2 représente de manière plus détaillée, la chaîne d’amplification du système de l’invention ;

- la figure 3 représente un autre mode de réalisation du système de l’invention, dans un spectromètre à modulation de faisceaux à une voie.

La figure 1 représente un mode de réalisation d’un système conforme à l’invention et permettant le traitement et la mesure des signaux délivrés par chaque détecteur 2, 3 dans un spectromètre 1, à modulation de faisceaux lumineux émis par une source lumineuse 4 constituée de préférence par une lampe de type halogène très stable ou par une lampe au carbure de silicium connue sous la dénomination commerciale « GLOBAR ». Le spectromètre, représenté schématiquement en 1 sur la figure est par exemple, un spectromètre à deux voies de type connu, comprenant notamment deux détecteurs 2, 3 sensibles respectivement à deux longueurs d’onde différentes.

Ce spectromètre comprend également des moyens non représentés qui permettent de diviser le faisceau de lumière de la source, en faisceaux de référence et de mesure. De manière connue, le faisceau de mesure un échantillon à analyser et on mesure la différence des énergies entre les faisceaux de référence et de mesure.

Enfin, le spectromètre comprend des moyens de modulation, constitués par un disque tournant 6, entraîné par un moteur 7 et présentant des secteurs opaques et transparents alternés. Les détecteurs 2, 3 permettent de détecter les énergies des faisceaux de référence et de mesure, pour chacune des longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre. Ces détecteurs reçoivent alternativement les faisceaux de référence et de mesure, grâce aux secteurs opaques et transparents alternés du disque tournant 6. Il est bien évidant que le nombre de ces détecteurs a été limité à deux, mais qu’il pourrait être différent.

Le système de traitement et de mesure, conforme à l’invention comprend des chaînes d’amplification 8, 9 connectées en sortie de chacun des détecteurs, et des moyens de mesure 10,

connectés aux sorties des chaînes d’amplification 9, 10. Ces chaînes d’amplification peuvent bien entendu, permettre l’observation des courbes d’analyse sur un oscilloscope 11.

Les longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre correspondent bien entendu, aux composants de l’échantillon qui absorbent respectivement des radiations dans ces longueurs d’onde. Lorsque les secteurs opaques et transparents alternés du disque défilent devant chacun des faisceaux de référence et de mesure, chaque détecteur reçoit alternativement la lumière transmise par l’échantillon et la lumière du faisceau de référence. Les détecteurs 2, 3 permettent de détecter les énergies des faisceaux de référence et de mesure, pour chacune des longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre. Ces détecteurs reçoivent alternativement les faisceaux de référence et de mesure, grâce aux secteurs opaques et transparents alternés du disque tournant 6. Il est bien évident que le nombre de ces détecteurs a été limité à deux, mais qu’il pourrait être différent.

Le système de traitement et de mesure, conforme à l’invention comprend des chaînes d’amplification 8, ç connectées en sortie de chacun des détecteurs, et des moyens de mesure 10, connectés aux sorties des chaînes d’amplification 9, 10. Ces chaînes d’amplification peuvent bien entendu, permettre l’observation des courbes d’analyse sur un oscilloscope 11.

Les longueurs d’onde sélectionnées dans le spectromètre correspondent bien entendu, aux composants de l’échantillon qui absorbent respectivement des radiations dans ces longueurs d’onde. Lorsque les secteurs opaques et transparents alternés du disque défilent devant chacun des faisceaux de référence et de mesure, chaque détecteur reçoit alternativement la lumière transmise par l’échantillon et la lumière du faisceau de référence. Les détecteurs 2, 3 délivrent donc des signaux alternatifs déphasés par exemple de 180° ou 90°, selon que le disque tournant présente deux ou quatre secteurs. Dans l’état connu de la technique, les chaînes d’amplification 8, 9 sont synchronisées sur le signal fourni par un détecteur optique par exemple, situé en regard du disque tournant 6. Comme on l’a indiqué précédemment, ce type de synchronisation a pour principal inconvénient de rendre les mesures les mesures très sensibles au bruit qui accompagne les signaux de mesure, ce bruit pouvant être en phase avec les signaux de modulation. De plus, cette synchronisation complique les circuits de traitement et de mesure, associés au spectromètre.

Dans le système de traitement et de mesure, conforme à l’invention, la chaîne d’amplification qui est associée à chacun des détecteurs, comprend au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Cette chaîne d’amplification sera décrite plus loin en détail. Elle a pour principal avantage, comme mentionné plus haut, de supprimer toue synchronisation à partir d’une détection de la fréquence du disque tournant. Comme on le verra plus loin en détail, chaque chaîne d’amplification comprend en outre un filtre électrique actif, accordé sur la fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux et connecté entre la sortie de chaque amplificateur et les moyens de mesure 10. Dans le système de l’invention, le moteur 7 qui entraîne le disque tournant 6, est de type synchrone, alimenté par un convertisseur continu-alternatif 12 piloté par un oscillateur à quartz 13. Ce moteur peut aussi être un moteur pas à pas piloté par quartz. Ce convertisseur continu-alternatif est lui-même alimenté par une source électrique de courant continu 14. Cette source électrique de courant

continu, peut être constituée soit par alimentation stabilisée 15 en courant continu, elle-même alimentée par la tension du secteur alternatif 16, soit par une batterie d’accumulateur, soit manuellement, permet d’alimenter les différents moyens du système de traitement et de mesure, à partir de la batterie d’accumulateurs 17 en cas de panne du secteur 16. La source d’alimentation stabilisée 15 ainsi que le convertisseur continu-alternatif 12 piloté par l’oscillateur à quartz 13 sont classiques dans l’état de la technique et ne seront pas décrits plus en détail. Le convertisseur alimente également les chaînes d’amplification 8, 9 par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu 19. La source lumineuse 4 est alimentée directement par l’alimentation stabilisée 14. A titre d’exemple, pour le système de traitement et de mesure représenté sur la figure, l’alimentation stabilisée 15 est une alimentation 220V alternatif – 24V continu, le convertisseur continu-alternatif 12 est un convertisseur 24V continu – 220V alternatif, tandis que le convertisseur alternatif-continu 19 est un convertisseur 220V alternatif – 15V continu. Si les analyses sont à réaliser dans des longueurs d’onde fixes, par exemple pour le dosage d’éléments contenus dans une solution, on utilise des détecteurs infra-rouges qui présentent un très grand rapport signal/bruit, dans un domaine de longueurs d’onde assez étroit. C’est ainsi par exemple, que le détecteur 3 est un détecteur Se-Pb, présentant une bande passante allant de 3 à 7 microns, refroidi par effet Peltier. Le détecteur 2 est une photodiode de type PIN au silicium qui présente une bande passante inférieur à 1 micron. Le détecteur 3 est alimenté par le convertisseur continu-alternatif 12, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif continu 20 qui fournit à ce détecteur une tension continue de 90V par exemple, et par l’intermédiaire d’un générateur de courant 21 alimenté par la source électrique 14 de courant continu. Ce générateur de courant permet de refroidir le détecteur 3 par effet Peltier. Ainsi, dans le système qui vient d’être décrit, les chaînes d’amplification comprennent au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure. Les chaînes d’amplification, comme on le verra par la suite, sont simples puisqu’elles utilisent des circuits à amplificateur opérationnel.

En référence à la figure 2, on a représenté plus en détail les circuits qui interviennent dans les chaîne d’amplification 8, 9 et qui comprennent, tout d’abord, un adaptateur d’impédance 24 constitué par un montage classique à amplificateur opérationnel, alimenté par une tension continue de 15V délivrée par le convertisseur alternatif-continu 19. L’entrée 25 de cet adaptateur d’impédance est reliée, soit directement à la sortie du détecteur 2, pour la chaîne d’amplification 8, soit à la sortie d’un préamplificateur, non représenté et constitué de manière connue, pour la chaîne d’amplificateur 9 qui est connectée à la sortie du détecteur 3. L’amplificateur opérationnel 26 est alimenté par une tension continue de ± 15V, fournie par le convertisseur alternatif-continu 19 ; les autres éléments de cet adaptateur qui est constitué de manière connue, ne sont pas référencés sur la figure 2. M représente sur cette figure la masse de référence. La sortie 27 de l’adaptateur 24 est reliée à l’entrée 28 d’un amplificateur sélectif 29, dont la bande centrale est de 30 Hertz par exemple, dans le mode de réalisation du système selon l’invention. Cet amplificateur sélectif, constitué lui aussi de manière connue, comprend amplificateur opérationnel 30 alimenté par une tension continue de ± 15V fournie par le convertisseur alternatif-continu 19. Les autres éléments de cet amplificateur sélectif constitué de manière connue, ne sont pas référencés sur la figure. La sortie 31 de l’amplificateur 29 est reliée à l’entrée 32 d’un filtre actif 33, par l’intermédiaire d’un condensateur de découplage 34. Ce filtre actif est lui-même constitué de manière connue par un circuit comprenant deux amplificateurs opérationnels 35, 36 et des diodes 37, 38 ainsi que d’autre

éléments non référencés sur la figure. Les amplificateurs opérationnels, comme précédemment, sont alimentés par tension continue ± 15V fournie par le convertisseur alternatif-continu 19. La sortie 39 du filtre 33, peut être reliée à l’entrée des moyens de mesure 10, par exemple par l’intermédiaire d’un filtre rejecteur de bande 40 qui permet, par exemple, d’éliminer la composant à 60 Hertz de la tension fournie par la chaîne d’amplification ; ce filtre rejecteur de bande est constitué de manière connue ; ses éléments ne sont pas référencés sur la figure. Sa sortie 41 peut être reliée à l’entrée des moyens de mesure 10, par exemple par l’intermédiaire d’un amplificateur adaptateur d’impédance 42 et d’un filtre 43, qui sont constitués de manière connue et dont les éléments n’ont pas été référencés sur la figure. Dans l’exemple de réalisation décrit, le filtre rejecteur de bandes provoque un rejection à 60 Hertz, ce qui permet d’utiliser, comme moyen de mesure 10, un voltmètre classique, de type continu. L’amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux de référence et de mesure, permet d’accroître la valeur du rapport signal/bruit tendis que le filtre actif accordable sur la fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux permet également d’éliminer tout bruit gênant dans le signal utile. La fréquence de modulation est très stable, puisque le moteur 7 qui entraîne le disque tournant 6, est un moteur synchrone alimenté par le convertisseur continu-alternatif 12 piloté par l’oscillateur à quartz 13. Ainsi, tous les circuits et moyens représentés, sont alimentés par l’intermédiaire d’une batterie d’accumulateurs ou d’une source d’alimentation unique, qui évite toute perturbation d’amplitude ou de fréquence, ce qui est particulièrement important pour les applications médicales du spectromètre. L’emploi sur l’une des voies d’un détecteur 3 refroidi par effet Peltier, grâce au générateur de courant 21, permet de contrôler de manière simple le gain sur cette voie, ce qui peut être très intéressant, notamment pour la mise en service du spectromètre. En cas de panne du secteur ce spectromètre, grâce au système de l’invention, peut fonctionner de manière autonome sur la batterie d’accumulateurs 17. Les différents convertisseurs ainsi que le générateur de courant, qui sont constitués de manière connue, ne sont pas décris en détail.

En référence à la figure 3, on a représenté un autre mode de réalisation du système de l’invention, applique à un spectromètre à modulation de faisceau, à une voie. Les mêmes éléments portent les mêmes références sur cette figure et sur la figure 1. On a représenté en 1, de manière non détaillée, le spectromètre, qui dans ce mode de réalisation est un spectromètre, qui dans ce mode de réalisation est un spectromètre à modulation de faisceau, à une seule voie et qui comprend notamment un détecteur 3 et une source lumineuse 4, comparables au détecteur et à la source du spectromètre de la figure 1. On a représenté en 9 la chaîne d’amplification dont le détail est donné à la figure 2, tandis que la référence 10 désigne les moyens de mesure connectés à la sortie de cette chaîne d’amplification et que la référence 11 désigne des moyens de visualisation des signaux de sortie de la chaîne d’amplification, constitués par exemple, par un oscilloscope à cathodique. Le disque tournant 5 qui comprend des secteurs 6 transparents et opaques alternés, est entraîné par des moyens 7 constitués par un moteur, piloté par l’oscillateur à quartz 13. Dans ce mode de réalisation, le moteur est de type pas à pas, alimenté par un convertisseur alternatif continu 50 l’intermédiaire d’un circuit logique de commande 51, piloté par l’oscillateur à quartz 13. Ce convertisseur alternatif continu alimente le détecteur 3 par l’intermédiaire du générateur de courant 21 et par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu 52. IL alimente également la chaîne 9 d’amplification ; il est bien évident, que dans ce mode de réalisation, le spectromètre étant à une seule voie une seule chaîne d’amplification est représenté sur le schéma. Enfin, le convertisseur alternatif continu 50 est

alimenté en 52 par une ligne non représentée, qui peut être de type « secouru », en cas de panne du réseau sur lequel est branchée cette ligne. Cette ligne de type « secouru » n’est pas représentée en détail mais il est connu dans l’état de la technique, d’utiliser un système de secours, en cas panne du réseau.

Il est bien évident, que le système qui est décrit dans ce mode de réalisation et qui est appliqué à un spectromètre à modulation de faisceaux, à deux voies, représenté sur la figure 1. Il est bien évident, aussi qu’un seul convertisseur alternatif continu a été représenté sur la figure pour alimenter le générateur de courant 21, le convertisseur continu-continu 51 et la chaîne d’amplification 9, mais qu’il aurait été possible d’utiliser un convertisseur alternatif-continu pour alimenter respectivement chacun de ces éléments, chacun de ces convertisseurs étant reliés à la ligne de type « secouru ». Dans ce deuxième mode de réalisation du système conforme à l’invention, le spectromètre comporte un seul détecteur qui peut être un détecteur Pb-Se, refroidi par effet Peltier, sensible à une longueur d’onde de quatre microns, comme dans le premier mode de réalisation. La source lumineuse 4 peut être comme dans le premier mode de réalisation, une source de type halogène ou une source à carbure de silicium, connue sous la domination commerciale « GLOBAR ».

REVENDICATIONS

1. Système de traitement et de mesure des signaux délivrés par chaque détecteur, dans un spectromètre à modulation de faisceaux lumineux, comprenant pour chaque détecteur, une chaîne d’amplification des signaux délivrés par ce détecteur et, des moyens de mesure, connectés en sortie de la chaîne d’amplification, caractérisé en ce que la chaîne d’amplification comprend au moins un amplificateur sélectif, accordé sur la fréquence de modulation des faisceaux.

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chaîne d’amplification comprend en outre un filtre électrique actif, accordé sur la fréquence double de la fréquence de modulation des faisceaux, ce filtre étant connecté entre la sortie de l’amplificateur et les moyens de mesure.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le spectromètre comprenant des moyens de modulation des faisceaux constitués par un disque tournant présentant des secteurs opaques et transparents alternés devant chacun des faisceaux, le système comprend des moyens pour entraîner ce disque en rotation, ces moyens étant pilotés par un oscillateur à quartz.

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner le disque tournant comprennent un moteur synchrone alimenté par un convertisseur continu alternatif piloté par l’oscillateur à quartz, ce convertisseur étant alimenté par une source électrique de courant continu.

5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le convertisseur continu-alternatif piloté par l’oscillateur à quartz alimente en outre la chaîne d’amplification, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu.

6. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner le disque tournant comprennent un moteur pas à pas alimenté par un convertisseur alternatif-continu, par l’intermédiaire d’un circuit logique de commande, piloté par l’oscillateur à quartz.

7. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau lumineux est produit par une source lumineuse de type halogène ou de type à carbure de silicium.

8. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le convertisseur continu-alternatif piloté par l’oscillateur à quartz alimente en outre au moins l’un des détecteurs, par l’intermédiaire d’un convertisseur alternatif-continu.

9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit détecteur est en outre alimenté par un générateur de courant, lui-même alimenté par la source électrique de courant continu.

10. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu alimente en outre au moins l’un des détecteurs.

11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu alimente en outre le détecteur, par l’intermédiaire d’un générateur de courant.

12. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif continu alimente en outre le détecteur, par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu.

13. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif continu alimente en outre la chaîne d’amplification.

14. Système selon l’une quelconque des revendications 6, 10 à 13, caractérisé en ce que le convertisseur alternatif-continu est alimenté par une ligne de type « secouru ».