Caractérisation et réalisation d'instruments de détection de gaz par spectrométrie laser photoacoustique

Characterization and conception of photoacoustic gas detectors

• Auteur / Autrice : Christophe Risser
• Direction : Bertrand Parvitte, Virginie Zéninari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences - STS
• Date : Soutenance le 05/02/2015
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne ; 2000-2011)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique (GSMA) - UMR CNRS 7331 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Weidong Chen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Parvitte, Virginie Zéninari, Lionel Colin, Jérôme Brévière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ajmal Khan Mohamed
• DOI : 10.70675/e745fb18z7358z44adz92fbzcfb5f7fe048a

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acoustique

Spectroscopie infrarouge

Mots clés libres

Photoacoustique

Helmholtz

Miniaturisation

Simulation

Comsol

Photoacoustic

Helmholtz

Miniaturization

Simulation

Comsol

Résumé

Ce travail présente le développement de spectromètres photoacoustiques pour la mesure de traces de gaz avec des résonateurs de Helmholtz différentiels.La cuve représente le coeur de l'instrument, le laser qui la traverse va créer une onde de pression stationnaire qui sera mesurée par des microphones. Le signal photoacoustique est fonction de la concentration du gaz et la manière dont il sera amplifié va dépendre en grande partie de la géométrie de la cuve. Une méthode aux éléments finis est utilisée pour exprimer cette caractéristique selon les modes et les fréquences propres calculées de la cuve. Les paramètres clés de la cuve sont ainsi calculés, comme la fréquence de résonance, le facteur de qualité et la constante de la cuve. Contrairement à d'autres méthodes de spectroscopie infrarouge, la sensibilité des spectromètres photoacoustiques augmente alors que la cuve se miniaturise. Cette particularité est vérifiée expérimentalement avec un bon accord avec la simulation. La modélisation prouve une nouvelle fois être suffisamment robuste pour être utilisée dans un processus d'ingénierie du spectromètre. Cet outil va en effet permettre d'optimiser les dimensions du résonateur selon les besoins de l'application, soit en privilégiant le maximum de signal, la plus haute fréquence de travail ou encore le plus faible encombrement. De nombreuses cuves ont été développés avec l'aide de la simulation, l'écart observé avec les paramètres expérimentaux est de l'ordre de 15 %. Enfin, les applications actuelles en mesure de traces de gaz demandent de mesurer la concentration d'au moins deux gaz, de façon simultanée, avec des niveaux de détection proche du ppb. Un mode de résonance de Helmholtz particulier est trouvé afin de proposer une mesure multi-gaz. Enfin, la sensibilité est augmentée grâce à un système multi-passages.

This work presents the conception of a photoacoustic spectrometer dedicated to trace gas measurements using a differential Helmholtz resonator. The main component of the instrument is the cell, where a standing wave is produced by a laser excitation and is measured with microphones. The photoacoustic signal is proportional to the gas concentration and the cell shape mainly affects its amplification. A finite element method is used to find this characteristic by calculating the cell eigenmodes and eigenfrequencies.Key parameters of the cell are then calculated, including cell frequency, quality factor and cell constant. Unlike other infrared spectroscopy methods, sensitivity of photoacoustic spectrometers increases by miniaturization process. This particular phenomenon is experimentally verified and is in good agreement with the simulation.Modelization proves again its robustness to be used on an engineering process of the spectrometer. This tool allows to optimize resonator dimensions according to the application, favouring maximum signal, higher working frequency or reduced size. Many cells designed with the help of the simulation are presented, where the observed error with experiments is of the order of 15 %. Finally, today's trace gas applications need the measurement of at least two concentrations, simultaneously with detection limits down to the ppb level. A novel Helmholtz resonance mode is then found to allow multi-gas sensing.Finally, sensitivity is increased by multi-pass systems.