Procédé de mesure de grande sensibilité des concentrations de gaz et produits volatils in situ et en continu et appareil de mise en oeuvre

Abstract

 Procédé et appareil de mise en oeuvre pour la mesure de grande précision des concentrations de gaz et produits volatils de tous sites naturels ou non.
La sonde (5) reçoit en permanence les gaz à des pressions susceptibles de varier jusqu'à plus de 5 atmosphère. Sous le contrôle de la vanne (12) et de la pompe (13) les gaz sont admis à une pression de l'ordre de 10^-2 atmosphère. Une fraction est introduite par dépression dans la chambre de mesure (19) du spectromètre de masse (20), la chambre (19) étant maintenue à 10^-5 atmosphère.
Les mesures transmises par le câble (38) sont effectuées en vue de détecter en permanence toute variation des concentrations.

Description

[0001] L'invention se rapporte à un procédé de mesures de grande précision effectuées in situ,et de façon continue des concentrations de gaz et produits volatils ainsi qu'aux appareils de mise en oeuvre du procédé.

[0002] On connait des procédés de mesures permettant de surveiller les variations de concentration de gaz ces mesures étant effectuées en continu au laboratoire. Cependant ces mesures ne portent que sur des gaz à la pression atmosphérique ou à des pressions plus faibles, et il n'y a aucune difficulté à utiliser .tous appareillages connus pour effectuer de telles mesures.

[0003] Par contre lorsque l'on désire étudier de très faibles variations de concentrations de gaz susceptibles de contenir en outre des produits volatils, ces gaz se présentant sous des pressions variables, comme cela est notamment le cas d'émanations volcaniques où la pression des gaz peut être considérable et fluctuer entre de très larges limites, on ne dispose d'aucun moyen capable d'effectuer de telles mesures en continu in situ et sur une longue période.

[0004] Il existe bien des appareils capables d'effectuer des prélèvements de gaz de sources volcaniques afin de mesurer les concentrations par chromatographie en phase gazeuse mais ces appareils ne permettent pas d'opérer des mesures de façon continue.

[0005] En outre de tels appareils bien qu'ayant des seuils de détection d'abondance de l'ordre de 50 ppm lorsque la mesure est faite in situ et de 15 à 20 ppm en laboratoire sont encore insuffisants notamment dans le cas de prévisions d'éventuelles éruptions volcaniques car ils ne peuvent ni détecter de très faibles écarts de concentrations ni la présence d'un élément nouveau à très faible concentration. Or une telle détection est indispensable pour déceler et mesurer les apports d'éléments provenant des fuites des couches inférieures situées par exemple à une trentaine de kilomètres de profondeur et qui peuvent être pertubés par l'atmosphère et les eaux dans des cycles dont on ne peut établir l'évolution que par des mesures systématiques et de façon continue sur une longue période.

[0006] En résumé on sait mesurer avec une grande précision les variations de concentrations de gaz, par exemple au moyen d'un spectromètre de masse, mais alors les mesures ne peuvent s'ei'- fectucr qu'en laboratoire à l'aide d'appareillages volumineux ou bien encore on sait mesurer des variations de concentration in situ mais alors les mesures sont discontinues et manquent de précision pour la détection de faibles concentrations.

[0007] L'objet de la présente invention est un procédé de mesure de grande précision des concentrations de gaz et produits volatils de tous sites naturels ou non caractérisé en ce que l'on peut prélever en continu de façon systématique ou non, en permanence ou non et sur de très longues périodes les gaz et produits volatils dont on désire connaître les variations de concentration, en ce que l'on canalise le mélange dans un circuit à faible débit que l'on fait communiquer avec une enceinte de détente où la pression est abaissée à une valeur de l'orde de 10^-2 à 10^-1 mbar en règlant et contrôlant le débit du mélange dans ladite enceinte et en ce que l'on introduit ledit mélange dans la chambre d'analyse d'un spectromètre de masse en contrôlant le débit de ladite enceinte de détente vers la chambre d'analyse que l'on maintient à une pression stable et très faible de l'ordre de 10 à 10^-7 mbar.

[0008] Un tel procédé présente l'avantage de pouvoir mesurer avec une précision de l'ordre'de 2 ppm et de façon continue les concentrations d'éléments gazeux ou volatils provenant de toute émergence qu'il s'agisse de très faibles émanations ou de fuites à forts débits, les pressions pouvant atteindre 5 atmosphères par exemple.

[0009] En particulier, s'il s'agit de surveiller un site volcanique on mesure les variations de concentrations des éléments en tous points désirés, de telle sorte qu'il devient possible d'étudier avec rigueur toute corrélation en vue d'établir des prévisions d'éventuelles éruptions alors qu'aucune méthode permanente jusqu'à ce jour ne permettait d'étàblir la prévision de tels risques.

[0010] Un autre objet de l'invention est un appareil de mise en oeuvre du procédé ainsi défini caractérisé en ce qu'il comprend une sonde métallique semi souple inoxydable, reliée par un conduit à faible débit à une enceinte de détente connectée d'une part à une pompe de transfert des gaz, d'autre part à une jauge de prcssion de ladite enceinte, un vanne d'entrée asservie contrôlant le débit accédant à ladite enceinte, une vanne piézo-électrique reliant ladite enceinte de détente à l'enceinte d'analyse d'un spectromètre de masse, ladite vanne piézo-électrique étant contrôlée par une jauge ionique de contrôle de la pression de l'enceinte d'analyse ou par le spectromètre lui- même.

[0011] Quelle que soit la pression des gaz dirigés en permanence vers l'appareil il est donc possible de régler le débit d'accès à la chambre d'analyse du spectromètre de masse avec une grande précision et d'évaluer en permanence toutes variations des concentrations des éléments du mélange sans que les temps de réponse du dispositif soient prohibitifs. En effet le dispositif' utilisé permet encore en raison des vannes d'accès d'éviter l'emploi de longs tubes capillaires destinés à abaisser la pression à un niveau prédéterminé mais dont l'emploi accroît les temps de réponse des appareils auxquels ils sont connectés.

[0012] Une autre caractéristique de l'invention est un appareil de ce type dont le spectromètre de masse est un spectromètre quadrupolaire de telle sorte que l'ensemble de l'appareil et des pompes de vidage et d'établissement de faibles pressions soit aisément inséré dans un logement étanche de faibles dimensions, les mesures fournies.par le spectromètre de masse étant transmises par câbles ou radio à toute station éloignée du lieu de mesure.

[0013] Il devient alors possible d'utiliser un.tel appareil en tout lieu difficile d'accès dans l'industrie ou dans la nature, dans ce cas l'appareil pouvant être aisément transporté par tout moyen même léger.

[0014] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de la présente invention.

[0015] Sur le dessin, la figure unique représente sous forme schématique l'ensemble de l'appareil de mesure dans son enceinte et des éléments connectés.

[0016] L'enceinte, figurée en 1, peut prendre toute forme désirée fonction des servitudes d'emploi mais se présente de préférence sous une forme parallélépipédique, étanche à la pluie et de dimensions réduites en raison des procédés et des moyens de mise en oeuvre adoptés. Ces accès aux divers organes peuvent être obtenus par tous moyens connus au moyen d'un poste extérieur à l'enceinte. Ce poste de contrôle et de commande général 2 est connecté au dispositif d'alimentation électrique ₃ par le câble de liaison multiple 4, le dispositif 3 alimentant en tension les divers éléments de l'appareil.

[0017] Une sonde de prélèvement des gaz et produits volatils a été schématisée en 5. Cette sonde est introduite en permanence dans un évent approprié. Le prélèvement ainsi recueilli est canalisé de préférence par un tube métallique 6 inoxydable semi-souple dont l'extrémité amont pourvue d'un reniflard comprend un filtre 7, suivi éventuellement de tout dispositif de piègea- ge de l'eau et du gaz carbonique schématisé en 8. L'ensemble peut être aussi porté à une température élevée, 120°C par exém- ple. Un raccord 9 amène les gaz et produits volatils prélevés à l'entrée 10 de l'appareil, cette entrée étant reliée à une enceinte de détente 11. Une vanne 12, par exemple un vanne à pointeau, ou une vanne quelconque asservie permet de régler le débit des gaz et produits volatils prélevés pour maintenir une pression bien déterminée de 10^-2 à 10^-1 mbar par exemple dans l'enceinte de détente 11 en vue d'assurer la reproductibilité des mesures.

[0018] A cet effet l'enceinte 11 est reliée à la pompe 13 par le conduit 14. Cette pompe est de préférence une pompe à palettes biétagée d'un débit de 4,5 m3 par heure ou moins selon les applications. La sortie des gaz hors de l'enceinte 1 s'effectue par le conduit 15 dont l'extrémité est dirigée vers le sol. Une jauge de pression 16, du type "Pirani" par exemple, alimentée par le caBle 17 fournit la valeur de la pression sur l'indicateur 18 du poste de.contrôle et de commande 2. Ce poste peut aussi comporter un moyen de réglage de la vanne 12, ce réglage manuel ou automatique étant effectué pour maintenir une pression constante de l'ordre de 10^-2 à 10^-1 mbar dans l'enceinte 11.

[0019] L'enceinte de détente 11 est raccordée à l'enceinte d'analyse 19 du spectromètre de masse 20 par la canalisation 21 et sous le contrôle de la vanne piézo-électrique 22. Cette vanne est contrôlée automatiquement par la jauge ionique 23 raccordée à l'enceinte d'analyse 19 au moyen du raccord métallique ₂4 ou encore directement contrôlée par le spectromètre lui- même. La jauge ionique 23 et la vanne piézo-électrique 22 sont alimentées par le câble électrique 25 et les dispositifs 26 et 27, le dispositif 27 commandant directement la vanne piézo- électrique 22. Le circuit de réaction 27 a été représenté de façon schématique, ce circuit pouvant être de tout type connu. Le réglage et la commande du circuit de réaction 27 en fonction de la pression de l'enceinte d'analyse 19 sont tels qu'ils permettent de faire varier le débit des produits volatils et des gaz détendus de l'enceinte 11 vers l'enceinte d'analyse 19 pour y maintenir une pression stable de 10^-8 à 10^-7 mbar. Ils peuvent en outre entraîner la coupure par la vanne 22 de toute communication entre les deux enceintes 11 et 19 afin d'obtenir une parfaite sécurité de l'appareil notamment en cas d'incident de fonctionnement susceptible d'affecter le filament du spectromètre 20.

[0020] La vanne 22 reste aussi fermée lorsque l'appareil est en position d'attente entre les mesures si celles-ci se font de manière discontinue.

[0021] L'enceinte d'analyse 19 est vidée au moyen d'une pompe primaire 28, de même type que la pompe 13, pourvue d'une canalisation de sortie 29 et du raccord 30 relié à la sortie de la pompe ultra-rapide 31 qui est de préférence une pompe à diffusion d'huile ou une pompe turbomoléculaire. A titre d'exemple cette pompe peut être une pompe à diffusion à trois étages d'un débit de 250 1_/s ou un pompage de même type turbomoléculaire par exemple permettant de transférer de grandes quantités de gaz depuis l'enceinte d'analyse jusqu'à l'extérieur via la pompe primaire. Afin d'éviter les rétro-diffusions d'huile, la pompe est surmontée d'un bafle 32, le refroidissement de la pompe étant assuré par une ventilation forcée.

[0022] Ce pompage peut aussi être assuré par tout autre moyen connu, tel une pompe turbo par exemple.

[0023] Un ensemble de moyens de commande et de visualisation 33 du poste de commande 2 permet de contrôler chacune des pompes 13,28 et 31 alimentées respectivement par les circuits électriques 34,35 et 36. Le poste 2 permet de même le contrôle de la jauge ionique 23 du spectromètre 20 et du circuit de réaction 27 commandant la vanne piézo-électrique 22 ainsi que la jauge de pirani 16, son circuit de réaction 17 et la vanne 1₂.

[0024] Les résultats de l'analyseur 20 qui est un spectromètre de masse du type quadrupolaire alimenté par le câble 37 sont transmis par le câble 38 à un dispositif de traitement de l'information 39 éventuellement connecté par la câble 40 au poste de ccntröle et de commande 2. Le dispositif 39 peut être un dispositif de calcul numérique ou analogique et peut être situé à toute station plus ou moins éloignée du site d'analyse. Il peut être connecté au moyen du câble 43 à tous appareils auxiliaires de visualisation 41 ou d'impression 42.

[0025] Il est ainsi possible, quelles que soient les difficultés d'accès au site choisi, de disposer l'enceinte 1 de dimensions réduites, de l'ordre par exemple de 40x50x60 cm ou moins, au voisinage immédiat de ce site et de procéder à des mesures de très faibles concentrations de gaz en vue de détecter des variations des éléments tels que H, He, CH₄, NH₃ etc... dans une masse de H₂0, CO₂, N₂, l'appareil ainsi réalisé ayant une sensibilité en abondance de l'ordre de 2 ppm.

[0026] L'appareil étant au voisinage du site, fonctionnant de façon autonome et étant contrôlé en permanence par le poste 2 éventuellement asservi au système de traitement de données 39, on peut, en fonction des résultats obtenus, procéder à la répétition des cycles de prélèvement par la sonde 5 et d'introduction dans l'enceinte d'analyse 19 en transitant par l'enceinte de détente 11, selon des fréquences variables. Le temps de réponse de l'appareil peut être très court puisque d'une part ses dimensions réduites se prêtent à une possibilité d'installation très proche de l'évent choisi et qu'en raison des contrôles des vannes 12 et 22 il n'est pas nécessaire de relier l'appareil à la sonde 5 par un capillaire s'étendant sur toute la distance existant entre sonde et appareil.

[0027] Si l'on désire détecter les variations des concentrations de gaz émanant d'émergences volcaniques on peut effectuer aisément par ce procédé l'analyse systématique et permanente sur le site même des gaz tels que : H, He, CH₄ de masse 16, 15 et ₁₄, _NH3 de masse ₁₇, 16 et ₁₅, H₂O de masse 18 et 17, Ne de masse 20 et 22, N₂, 0₂, H₂S de masse 28, 32 et 34, HCl de masse 36 et 38, Ar, C0₂ de masse 44 et 48, SO₂ de masse 64 et 68 etc..

[0028] Si l'on doit surveiller toute une installation ou une zone volcanique on peut connecter un dispositif de calcul unique 39 à plusieurs enceintes 1 dont chacune reçoit en permanence les émanations d'une émergence voisine.

[0029] L'appareil peut également être utilisé pour contrôler les dégagements gazeux de forages géothermiques et détecter les anomalies de gaz en géothermie ou en recherche minière. On peut T alors coupler l'appareil a une sonde de scintillation 44 en vue de la détection et de la mesure simultanée du Radon. Cette sonde de type habituel peut être connectée par toute jonction appropriée à l'enceinte de transfert et de détente 11. L'alimentation en courant de la sonde a été schématisée par le fil 45 et la sortie par le fil 46.

Revendications

1°) Procédé de mesure de grande précision des concentrations de gaz et produits volatils émanant de tous sites naturels ou non et quels que soient les pressions et les débits, au moyen d'une canalisation d'accès à faible débit reliée à un spectromètre de masse par l'intermédiaire d'une enceinte de détente, des pompes maintenant les pressions aux valeurs optimum, caractérisé en ce que l'on prélève de façon continue ou non, ou au moins sur une très longue période, les gaz et produits volatils dont on désire connaître les variations de concentrations, en établissent un passage permanent variable entre l'enceinte (11) et la canalisation d'accès (9) et en maintenant la pression de l'enceinte (11) de détente à une valeur bien déterminée, de l'ordre de grandeur de 10^-1 à 10^-2 mbar, par l'ensemble des réglages automatiques du débit d'accès à l'enceinte (11), du débit de sortie de l'enceinte et du pompage de celle-ci en vue d'obtenir une pression constante.

2°) Procédé tel que revendiqué en 1 selon lequel les opérations de circulation des gaz et produits volatils dans les enceintes de détente et de mesure sont contrôlées par un poste de commande disposé au voisinage du spectromètre de masse caractérisé en ce que le poste de commande assure le réglage du débit permanent des gaz à travers l'enceinte de détente (11), et l'enceinte de mesure (19).

3°) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 et 2 selon lequel les mesures des pressions et concentrations sont canalisées vers un dispositif d'utilisation et caractérisé en ce que ledit dispositif d'utilisation transmet les résultats à une station de traitement des données éloignée du site des mesures.

4°) Procédé tel que revendiqué en 3 dont le dispositif de traitement de l'information contrôle la fréquence de répétition des cycles de mesures en fonction des valeurs des concentrations obtenues indépendamment des pressions des gaz recueillis par la sonde.

5°) Appareil de mise en oeuvre du procédé revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant une cana- lisatiou d'amenée des gaz et produits volatils à pression quelconque à analyser et raccordée au moyeu d'une vanne et d'une enceinte de détente à un spectromètre de masse ainsi que des moyens de pompage caractérisé en ce que la canalisatfon comporte une sonde métallique (5.) semi-souple inoxydable reliée à l'enceinte de détente (11) par une conduite (9) dont le débit des gaz est limité par une vanne de réglage (12) amenant les gaz de façon continue à ladite enceinte (11) celle-ci étant connectée d'une part à une pompe de transfert des gaz (13) d'autre part à une jauge (16) de la pression de ladite enceinte, une vanne piézo-électrique (22) connectée entre l'enceinte d'analyse (19) du spectromètre de masse (20) et l'enceinte de détente (11) assurant le contrôle du débit continu du gaz provenant de l'enceinte de détente (11) sous le contrôle de la jauge ionique (23) de contrôle de la pression de l'enceinte d'analyse (19).

6°) Appareil tel que revendiqué en 5 dont le spectromètre de masse (20) est un spectromètre quadrupolaire logé dans une enceinte (1) étanche et transportable ladite enceinte étant pourvue d'une source d'alimentation en tension, l'appareil étant caractérisé en ce que ladite enceinte (1) contient une pompe (31) à grand débit surmontée ou non d'un bafle (32) destiné à réduire les rétrodiffusions d'huile dans l'enceinte d'analyse (19), une première pompe (28) assurant le vide primaire en vue de vider l'enceinte d'analyse (19), une seconde pompe(13) assurant le maintien de la pression de l'enceinte de détente (11) avec les vannes de contrôle (12) du débit continu d'entrée des gaz dans l'enceinte de détente _.(11) et de contrôle du débit d'entrée (22) dans la chambre d'analyse (19).

7°) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendivations.5 et 6 dont l'ensemble des éléments est contrôlé par un poste (2) extérieur à l'enceinte caractérisé en ce que la sortie du dispositif de mesure de spectromètre (20) est connectée à un câble de transmission (38) des données à un système de traitement de l'information (39) et de ses équipements de visualisation (41) et d'impression (42) éloignés du site de mesure.

8°) Appareil tel que revendiqué en 7 dont le poste (2) de contrôle et de commande des éléments contenus dans l'enceinte (1) est contrôlé par les résultats du dispositif éloigné . de traitement des informations (39) fournies par le spectromètre de masse (20), et par une sonde de scintillation (44) ) connectée à l'enceinte de détente (11).

Dessins