Brevet FR2323999A1 — publié le 19770408

La présente invention découlant d'une étude effectuée par Le Laboratoire Central des Industries Electriques (LCIE) et dont M. Bernard GEOFFRION est l'auteur se rapporte à un détecteur de particules dans un fluide, et notamment de bulles dans un liquide, sensible à la diffusion de la lumière dans un trajet optique entre une source lumineuse et un récepteur avec un élément sensible à la lumière. I1 est connu de détecter la présence dans un fluide de particules diffusant la lumière, comme par exemple des bulles de gaz dans un liquide, en éclairant à partir d'une source de lumière une partie du fluide où peuvent apparattre les particules, et en disposant un récepteur avec un élément sensible à la lumière au voisinage de la partie de fluide éclairée, de telle sorte que soit défini un trajet lumineux dans le fluide de la source de lumière au récepteur, trajet sur lequel la diffusion de la lumière sur les particules modifie le flux lumineux transmis de la source au récepteur. Or bien souvent source et élément sensible doivent être isolés du fluide, et donc séparés de ce dernier par des parois étanches au fluide et transparentes à la lumière. Par ailleurs l'emplacement où les particules doivent être détectées dans le fluide n'est pas toujours suffisamment dégagé pour que l'on puisse facilement y disposer deux enceintes étanches contenant, lEune la source lumineuse et l'autre l'élément sensible à la lumière, dans des positions relatives déterminées.Ainsi, pour contrôler un processus en phase liquide mettant en oeuvre de l'énergie électrique et susceptible de donner un dégagement gazeux indésirable, il est souvent difficile de pouvoir immerger dans la phase liquide à proximité d'une électrode sur laquelle le dégagement gazeux risque de se produire, une sonde étanche contenant une source lumineuse et un élément photoélectrique séparés par un trajet optique où est admis la phase liquide, en raison de l'encombrement de la sonde, aussi bien que des inductions parasites que le processus mettant en oeuvre de l'énergie électrique est susceptible de produire sur l'élément photoélectrique. La charge d'accumulateurs au plomb est un exemple d'un tel processus. L'invention a pour objet un détecteur de particules dans un fluide sensible à la diffusion de la lumière dans un trajet optique, dans lequel la source lumineuse et l'élément sensible à la lumière sont disposés à distance du trajet optique où les particules doivent être détectées, et propose à cet effet un détecteur de particules caractérisé en ce que source et élément sensible sont disposés respectivement à une première extrémité de l'un et l'autre de deux guides de lumières associés dont les secondes extrémités se font face dans le fluide de part et d'autre dudit trajet optique, Les guides de lumière peuvent autre de longueur notable et disposés suivant des chemins courbés, si bien que la source lumineuse et l'élément sensible à la lumière peuvent autre écartés du trajet optique dans le fluide, ce dernier pouvant être localisé à l'emplacement où les particules peuvent apparaitre, tandis que source et élément sensible sont disposés à un autre emplacement choisi pour réduire les interactions avec le fluide. Ces guides de lumière peuvent autre des tiges courbées en matériau transparent poli,les réflexions totales de la lumière sur les parois latérales polies assurant le guidage de la lumière d'une extrémité à l'autre d'une tige. En variante ils peuvent autre constitués de faisceaux de fibres de verre connus en soi dits fibres optiques. Dans le but d'éviter une action parasite de la lumière ambiante, source et élément sensible étant adaptés à fonctionner dans une plage de longueurs d'onde en dehors du spectre visible, un filtre opaque au visible et transparent dans la plage précitée peut être intercalé entre l'élément sensible et la première extrémité du guide de lumière associé. De préférence l'élément sensible est une photorésistance disposée en parallèle sur l'entrée d'un amplificateur et alimentée par une tension fixe à travers une résistance ajustable. Avantageusement l'amplificateur est un comparateur bistable capable de prendre un de deux états selon le sens de la différence entre la tension d'entrée sur la photorésistance et une tension de référence ajustable. Pour le contrle d'un processus en phase liquide mettant en oeuvre de l'énergie électrique et susceptible de donner un dégagement gazeux indésirable, les secondes extrémités des guides de lumière sont immergées dans la phase liquide et le comparateur bistable est adapté à interrompre le débit d'énergie électrique. Pour le contrdle de la charge d'accumulateurs au plomb, les secondes extrémités des guides de lumière sont immergées dans l'électrolyte à proximité de l'extrémité supérieure des plaques d'accumulateur, et le comparateur bistable est adapté à interrompre temporairement le courant de charge. En branchant la sortie du comparateur associé au détecteur à l'entrée d'un compteur numérique, l'invention est applicable au comptage de particules traversant une à une le trajet optique. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé. Selon la forme de réalisation choisie et représentée, dans un bac 10 de l'accumulateur 1, contenant un électrolyte ll et des plaques 12 et 13, sont immergés partiellement un émetteur de lumière 2 dans son ensemble, et un récepteur 3 dans son ensemble. L'émetteur de lumière 2 comprend un guide de lumière 20, constitué par une tige d1un matériau transparent poli avec deux faces terminales 21 et 22. La première face 21 est coiffée d'un capuchon 25 étanche à la lumière et contenant une source lumineuse 23 alimentée par une source électrique stable 24. Le récepteur de lumière 3 comprend de façon analogue un guide de lumière 30 constitué par une tige d'un matériau transparent poli avec deux faces terminales 31 et 32. La première face terminale 31 est coiffée d'un capuchon 35 étanche à la lumière qui contient une photorésistance 33.Les parties inférieures des guides de lumière 20 et 30 sont courbées en sorte que les secondes faces terminales respectivement 22 et 32 se font face de part et d'autre d'un trajet optique lla dans l'électrolyte 11 à proximité des parties supérieures des plaques 12 et 13. Les guides de lumière 20 et 30 peuvent etre constitués d'un matériau tel que le verre ou une matière plastique comme le polyméthacrylate de méthyle ou le polystyrène, et les tiges courbées par déformation à chaud. La photorésistance 33 formant l'élément sensible du récepteur 3 est branchée en parallèle sur l'entrée du dispositif amplificateur 4. Dans ce dispositif amplificateur 4, partant d'un ple positif 40 d'une source de tension stable se trouvent une résistance ajustable 41 en série avec la photorésistance 33, et un potentiomètre 42 relié à la masse par son autre extrémité Le point de jonction de la résistance 41 et de la photorésistance 33 est relié à l'entrée d'un amplificateur séparateur 43, tandis que le curseur du potentiomètre 42 est relié à l'entrée dflun.amplificateur séparateur 44. Les sorties des amplificateurs 43 et 44 sont reliées respectivement aux deux entrées d'un amplificateur différentiel à grand gain 45. La sortie de cet amplificateur différentiel 45, ajustée en niveau par le potentiomètre 46, est appliquée à travers couran-c un dispositif temporisateur 47 à l'entrée d'un amplificateur en/48 pilotant un relais 49. Les bornes de sorties 50 du contact du relais 49 sont insérées dans la commande de charge de l'accumulateur 1 (connexions non représentées). Le fonctionnement du dispositif est le suivant : La lumière émisse par la source l! Anex 23 alimentée par la source électrique stable 24 pénètre dans le guide de lumière 20 par la première face terminale 21 et sensiblement normalement à cette face, de sorte que, l'indice de réfraction du matériau constituant le guide de lumière 20 étant supérieur à l'indice des milieux dans lequel il est plongé de guide 20, air ou électrolyte 11, les réflexions totales sur la paroi latérale de ce guide 20 confinent la lumière jusqu'à la seconde face terminale 22, qui est ain Si normale à la propagation de la lumière dans le guide 20. La lumière sortant de la face 22 suit le trajet optique lla et pénètre dans le guide de lumière 30 par sa face terminale 32.Les faces terminales 22 et 32 se faisant face, sensiblement toute la lumière sortant normalement de la face 22 pénètre dans le guide 30 par la face 32. La lumière ayant pénétré dans le guide 30 par la face 32 ressort de ce guide par la première face terminale 31 pour éclairer la photorésistance 33, dont la valeur de résistance varie en raison inverse de ltéclairement reçu. Si, en raison par exemple de l'état de charge de l'accumulateur 1, des bulles de gaz se dégagent dans l'électrolyte 11 au contact des plaques 12 et 13, ces bulles dans leur mouvement ascensionnel vers la surface de l'électrolyte traversent le trajet optique lla. Du fait que l'indice de refraction des gaz est inférieur à l'indice de l'électrolyte, la majorité du flux lumineux- tombant sur la bulle en provenance de la face 22 subira une réflexion totale et sera diffusée en dehors du trajet optique lla, ce qui se traduira par une diminution de l'éclairement de la photorésistance 33, et une augmentation corrélative de- la valeur de résistance de la photorésistance. La tension à la jonction entre la photorésistance 33 et la résistance 41 variera corrélativement à la valeur de résistance de la photorésistance 33. La résistance 41 est ajustée, comme il est connu, pour présenter une valeur sensiblement égale à la valeur de la photorésistance 33-éclairée en l'absence de bulles, de façon que la sensibilité du montage soit maximale. La tension à la jonction entre la photorésistance 33 et la résistance 41, amplifiée par ltamplificateur 43, est comparée à la tension au curseur du potentiomètre 42 amplifiée par l'amplificateur 44, sur les entrées de l'amplificateur différentiel 45.Cet amplificateur 45 étant un amplificateur dit "opérationnel" à grand gain en boucle ouverte, sa tension de sortie passe pratiquement brusquement d'une tension de saturation positive lorsque la tension d'entrée de l'amplificateur 43 est inférieure à la tension à l'entrée de l'amplificateur 44 à une tension de saturation négative lorsque la tension à l'entrée de l'amplificateur 43 dépasse la tension à l'entrée de lsamplificateur 44. La tension de sortie de l'amplificateur 45 possède donc pratiquement deux états selon le sens de la différence entre les deux tensions d'entrée des amplificateurs 43 et 44.Cette tension de sortie, ramenée à un niveau compatible avec la commande du temporisateur 47 par le potentiomètre 46, agit sur le temporisateur 47 pour que ce dernier émette, en réponse au passage de la tension de l'état négatif à l'état positif, un signal de durée déterminée qui provoque par l'action de l'amplificateur 48 sur le relais 49, une ouverture corrélative des contacts entre les bornes 50. Ainsi le dégagement de bulles dans l'électrolyte 11 au contact des plaques 12 et 13 de l'accumulateur 1 provoquera une interruption momentanée du courant de charge, interruption dont la durée déterminée par le réglage du temporisateur 46 aura été choisie pour que l'accumulateur 1 retrouve un état d'équilibre permettant une charge efficace. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et bien des variantes sont possibles sans sortir du cadre de 1 'in- vention. Ainsi les guides de lumière constitués par des tiges d'un matériau massif transparent pourraient autre remplacés par des faisceaux de fibres de verre connus sous le nom de fibres optiques, la souplesse inhérente à ces faisceaux facilitant la liaison entre source lumineuse et élément sensible à la lumière d'une part, et trajet optique où les particules diffusantes doivent être détectées d'autre part ; cette liaison devenant possible à travers des cheminements tortueux. Pour s'affranchir d'actions parasites de la lumière ambiante dans la zone du trajet optique, on peut choisir une source lumineuse et un élément sensible à la lumière actifs conjointement en dehors du spectre visible, par exemple dans l'infra-rouge ou dans l'ultra-violet, et intercaler entre l'élément sensible et la face terminale voisine du guide de lumière associé un filtre opaque au visible et transparent dans la zone de longueur d'ondes où la source et l'élément sensible sont actifs. Le détecteur selon l'invention est applicable en dehors de la charge d'accumulateurs à d'autres processus mettant en oeuvre de l'énergie électrique et susceptibles de donner des dégements indésirables de gaz. Ces processus peuvent comprendre la production de courant par des générateurs electrochimiques, par exemple, ainsi que des processus où l'énergie électrique ne joue qu'un r6le auxiliaire dans l'apparition des bulles, comme la caRéfaction du liquide de refroidissement d'appareillage électrique, ou encore où I'énergie électrique est utilisée pour la mise en place d'organes de sécurité. Le détecteur selon l'invention est également applicable à la détection de particules autres que des bulles, dans des fluides qui peuvent être des gaz aussi bien que des liquides, et notamment à la détection de turbidité dans des liquides, et de brouillards ou de fumées dans les gaz. Pour s'affranchir des fluctuations dues aux variations du nombre de particules présentes simultanément sur le trajet optique, on peut disposer une capacité d'intégration en parallèle sur l'élément sensible. Le détecteur selon l'invention peut trouver une application au comptage de bulles traversant le trajet optique une à une. Le comparateur est alors branché à l'entrée d'un compteur numérique adapté à progresser d'une unité lors du passage du comparateur d'un état à l'autre dans un sens déterminé. I1 est évident que le signal issu de l'élément sensible ne doit pas être intégré par une capacité. Par contre il pourrait être au moins partiellement différencié pour permettre la prise en compte individuelle de bulles présentes simultanément dans le trajet optique. Toutes les variantes et applications citées, et d'autres encore, ne seraient pas susceptibles de sortir du cadre de l'invention. RENDICATION8 1. Détecteur de particules dans un fluide sensible à la diffusion de la lumière par les particules dans un trajet optique et comprenant en combinaison avec une source lumineuse et un récepteur de lumière à photorésistance deux guides de lumière se faisant face par une première extrémité de part et d'autre du trajet optique, source et photorésistance étant disposées respectivement à la seconde extrémité de l'un et l'autre des guides de lumière, caractérisé en ce que ledit récepteur comprend un comparateur bistable à deux entrées et adapté à prendre un de deux états selon le sens de la différence entre deux tensions appliquées respectivement aux deux entrées, ladite photorésistance alimentée par une tension fixe à travers une résistance ajustable étant disposée en parallèle sur une desdites entrées et une tension de référence ajustable étant appliquée sur l'autre entrée. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que source et photorésistance étant adaptés à fonctionner dans une plage de longueur d'onde en dehors du spectre visible, un filtre opaque au visible et transparent pour ladite plage est interposé entre la photorésistance et ladite seconde extrémité du guide de lumière respectif. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, destiné au contrôle d'un processus en phase liquide mettant en oeuvre de l'énergie électrique et susceptible de donner un dégagement gazeux indésirable, caractérisé en ce que lesdites premières extrémités des guides de lumière étant immergées dans la phase liquide, le comparateur est adapté à interrompre le débit d'énergie électrique. 4. Application d'un détecteur selon la revendication 3 au contrôle de la charge d'un accumulateur au plomb, caractérisée en ce que lesdites premières extrémités étant immergées dans l'électrolyte à proximité de la partie supérieure des plaques d'accumulateur, le comparateur bistable-est adapté à interrompre temporairement la charge. 5. Application d'un détecteur selon une quelconque des revendications 1 à 3 au comptage numérique de particules passant isolément entre les premières extrémités des guides de lumière, caractérisée en ce que la sortie dudit comparateur est branchée à l'en- trée d'un compteur numérique connu adapté à progresser d'une unité en réponse au passage dudit comparateur d'un état à l'autre dans un sens déterminé.