Brevet FR2297414A1 — publié le 19760806

la présente invention concerne des perfectionne- ments aux appareils de mesure dtabsorption du rayonnement, notamment les photomètres, où le milieu à étudier est placé entre un émetteur de caractéristiques connues et un détecteur qui donne naissance à un courant que l'on mesure après ampli ficationO L'invention concerne plus spécialement des dispositifs utilisant des composants opto-électroniques en vue d'ef- fectuer des dosages photomètriques en absorption, en emission ou en diffusion lumineuse0 Il est déjà connu d'utiliser de tels principes dans les mesures physiques où l'on dispose, d'une part, une source lumineuse opto-électronique et, dtautre part, un photorecepteur qui peut être de petite taille tel qu'un composant opto-électronique.Sur le même principe on réalise aussi des comptages par cellules photoélectriques. Par ailleurs on connaît des diodes électroluminescentes qui sont déjà largement employées dans le domaine de ltafRichage et qui sont fabriquées par plusieurs fabricants de composants tel que la "XCITON CORPORATION" à New YorkO On connait aussi les détecteurs constitués par des photodiode des au silicium telles que celles qui sont fabriquées par la "TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED". Dans le domaine de la mesure de la lisibilité, ltétat de la technique peut être illustré par le brevet Français 2 214 897 déposé le 18 Janvier 1974 au nom de la Société SATT ELEKTRONIK A B qui décrit un appareil fonctionnant sur le principe de la transmission et la reflexion des ondes électromagnétiques. - La présente invention à pour but de prévoir une application beaucoup plus large des diodes électroluminescentes à toute sorte d'appareil de mesure de ltabsorption dans un flui de par traversée directe aux diffusions, notamment. Suivant l'invention, on utilise comme émetteur une diode électroluminescente et comme recepteur un élément à répon se linéaire dans un domaine compatible avec l'émission. Le récepteur peut etre soit une photo-résistance soit une photodiode, soit un photo-transistor, soit un photo multiplicateur Selon une forme préférée de réalisation de ltinvention, la diode électroluminescente est alimentée par un circuit oscil lant tandis que le détecteur émet un courant qui est succesive ment amplifié dans un-amplificateur linéaire, redressé, puis traité dans un amplificateur logarithmique pour émettre des signaux qui sont affichés0 Dans certains cas, le rayonnement venant de lsémet- teur et ayant traversé le milieu à étudier, est conduit au dé tecteur par au moins un e fibre optique0 Ltinvention permet de constituer des ensembles mi niaturisés utilisables en photométrie ou en détection optique notamment0 Ces éléments permettent dtobtenir plusieurs avan tages à savoir I) lemission de rayonnement, de lumière en ltoccurence, par la photodiode, a lieu dans une bande de fréquence suffisamment etroite pour que lton puisse utiliser cette-émission de lumière comme source monochromatique dans de nombreuses applications0 La plupart du temps ce sera une lumière ayant une longueur d'onde déterminée avec au maximum 35 nanomètres de bande passantes Ceci permet d'éliminer, dans un certain nombre dXapplications, les filtres colorés ou les monoehromateurs plus élaborés qui sont toujours onéreux. -2) lalimentation des diodes électroluminescentes ne necessite qutune centaine de milliwatts sous une tension de quelques volts ce qui permet, là aussi, dtutiliser une électronique miniaturisée. Ltémission lumineuse peut être modulée à volonté, dans la plupart des cas, jusquCau NHz ce qui permet de réaliser des détections parfaitement synchrones et donc de travailler en présence de sources luminéuses parasites de forte intensité sans perturber la mesure du flux lumineux intéres santo -3) les diodes électroluminescentes ne demandant qu'un courant très faible dtalimentation, leur stabilisation est aisée.A ce sujet, et à titre de comparaison, il faut signaler que, -couram- ment, avec une lampe à filament de tungstène, pour une variation de 0,1 % de ltalimentation, la réponse varie d'environ 1 %O Dans le cas -des composants opto-électroniques cités, une variation de 0,1 % de ltalimentation se traduit au maximun par une variation de 0,1 % de la réponse, ctest à dire que cette variation est lo fois inférieure à celle dtune lampe à filament de tungstène. Par conséquent, la stabilisation peut être facilement réalisée à laide de système électronique simple. Dtautre part, les caractéristiques de ces composants montrent qu'à partir dtune certaine intensité, les variations du flux lumineux sont faibles- par rapport aux variations de courant0 Ces deux caractéristiques font des diodes électroluminescentes des sources lumineuses très stables permettant ainsi la réalisation de systèmes monofaisceaux rivalisant facilement dans de nombreuses applications avec les montages double-faisceaux utilisés pour minimiser les variations d'émission. -4) les éléments constituant les appareils objet de la présente invention, cl est à dire la source lumineuse et le détecteur, peuvent etre facilement placés très près de l'échantillon à analyser car le dégagement de chaleur de telle source est très faible et il n'y pas de système optique entre la source et le détecteur, mis e à part la cuve à échantillon quand cela est nécessaire ou un système optique très simplifié tel qutune fibre optique, par exemple. -5) le faisceau lumineux émis par'une diode électroluminescen- te peut être très étroit et, dans de nombreux cas, on peut ainsi éliminer l'utilisation de lentilles et de fentes. En dtautres termes, la présente invention permet dtexploiter les caractéristiques intéressantes des diodes électroluminescentes qui sont pas été exploitées dans le domaine de la photomètrie en instrumentation analytique, ces caractéristiques étant la grande stabilité lumineuse et l'émission dans une fourchette étroite de fréquence. Lorsque les diodes électroluminescentes sont associées à des récepteurs à réponse linéaire dans un domaine compati- ble avec l'émission lumineuse (par exemple si on utilise comme récepteur une photo-résistance, une photodiode ou un photo-transistor) il est possible de réaliser des ensembles de photométrie-à très bas prix de revient. Ltinvention sera mieux comprise à laide des exemples non limitatifs ci-après qui sont décrits dans les dessins joint A la figure 1 on a montré un schéma synoptique montrant lrinsertion des composants opto-electroniques dans un montage facile à réaliser comprenantj d'une part, ltalimenta- tion par circuit oscillant 1 la diode electroluminescente 2 et, dtautre part, la chaine de détection et d'affichage placée après la photodiode 3, une cuve 4 recevant le produit à -analyser, par exemple dans les systèmes colorimétriques0 La chaine de détection après la photodiode 3 se compose dlun am plificateur linéaire 5, drun redresseur de signaux 6, dcun ampli ficateur logarithmique 7 qui émet des signaux qui sont affichés en 8. L'alimentation par circuit oscillant 1 n'est pas-obligatoi re ; elle peut se faire de toute autre façon, par piles par exemple. Toutefois cette alimentation permet de faire varier une fréquence et d'agir sur la détection en atténuant la dé rive. A la figure 2 on a représenté un graphique de com paraison des résultats obtenus à laide de l-tappareil de ltin- vention et dtun spectrométre classique. En ordonnée on a in diqué la densité optique du dispositif opto-électronique tandis quten abscisse on a représenté la densité optique mesurée sur un spectrophotometre à double faisceaux. La gamme étalon était une solution de bleu de méthylène à diffèrentes concentrations0 La source lumineuse était-une diode électroluminescente verte du type XC 554 G XCITON émettant sur une longueur dtonde de 560 - 15 nm.Le détecteur était une photodiode de la "TEXAS INSTRUMENTS" TIL77 sensible dans la bande des 570 t 50 nmO On voit l'excellente correspondance entre les deux dispositifs dans le domaine spectral étudié et par la meme ltintéret de l'appareil de l'invention. D'autres applications sont illustrées aux figures 3 à lO dans lesquelles les diodes électroluminescentes sont utilisées comme source lumineuse dans des dispositifs couram ment utilisés dans les méthodes de dosages chimiques Dans tous ces exemples, la diode électroluminescente est toujours repérée en 2 et le détecteur en 9 A la figure 3, on a placé entre le détecteur 9 et la diode 2 une cuve 10, transparente, alimentée par un courant de liquide ou de gaz qui arrive en ll et sort en 12o Ce dispositif est appliqué en spectrophotométrieo A la figure 4 on a prévu un ensemble formant sonde sur un support 13 que. lton peut immerger complétement dans une solution à analyser. A la figure 5 un récipient 14 est placé entre la diode et le détecteur pour l'utilisation classique en- spectrométrie, turbidimétrie ou autre. A la figure 6, le dispositif peut analyser le gaz, la vapeur ou la fumée passant entre la diode 2 et le détecteur 9. A la figure 7 on a représenté un appareil dans lequel un support 15 maintient la diode 2 et le détecteur 9 et incorpore, en plus, une fibre optique 16 qui débouche en 17 sur une surface se trouvant en face de la diode 2 Le milieu à analyser se place entre la diode 2 et la surface 17o ' A la figure 8 on place la cuve 18 sur un dispositif mobile 19 permettant. d'agiter la cuve 18 pour effectuer une turbidimétrie. A la figure 9 on voit que le détecteur 9 est décalé par rapport àla diode 2 qui se trouve Juste en face de la cuve 20, ce qui permet de détecter la lumiére diffusée en fluori- métrie par exemple. A la figure 10 on a représenté en 21 ur tube transparent dans lequel le produit à étudier est immobile ou cir-- cule. Ce dispositif peut servir pour la détermination d'un interface liquide-liquide liquide-gaz, liquide-solide Il peut -aussi servir pour le comptage de bulles ou de particules ou encore pour la détermination de la taille de particules REVENDICATIONS 1 / Perfectionnements aux appareils de mesure d'absorption du rayonnement, notamment les photomètres, où le milieu à étudier est placé entre un émetteur de la famille dés diodes électroluminescentes de caractéristiques connues et un détecteur qui donne naissance à un courant que l'on mesure après amplification et traitement par amplificateur logarithmique, c a r a c t é r i s é s par le fait que l'on utilise, comme récepteur, un élément à réponse linéaire dans un domaine compatible avec l'émission t8ana interposition aucune avec l'émetteur de moyen optique inter- médiaire tel que condenseur ou autre, l'ensemble émetteur, que ce soit une diode électroluminescente ou une diode laser, le moyen destiné à contenir le milieu à étudier et le détecteur constituant un bloc photométrique compact et miniaturisé utilisable directement sur des circuits électroniques. 2e/ Appareil, tel que défini dans la revendication l, c a r a c t é r i 9 é par le fait que le récepteur est une photo.résistance. ) / Appareil, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que le récepteur est une photodiode. 4e/ Appareil, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que le récepteur est un photo-transistor. 5 / Appareil, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i s é par le fait que le récepteur est un transistor à avalanche. 6 / Appareil, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications précédentes, prise isolément, c a r a c t é r i s é par le fait que la diode électroluminescente est alimentée par un circuit oscillant, tandis que le détecteur émet un courant qui est successivement amplifié dans un amplificateur linéaire redressé, puis traité dans un amplificateur logarith- mique pour émettre des signaux qui sont affichés. 7 / Appareil, tel que défini dans la revandication 6, c a r 2 c t é r t s 6 par le fat que le rayonnement venant de émetteur et ayant traversé le milieu à étudier est conduit au détecteur par au moins une fibre optique.