Brevet FR2377573A1 — publié le 19780811

La présente invention concerne un dispositif optique permettant de définir, par exemple dans un tube de mesure ,un volume éclairé de forme simple, à bords nets et défini uniquement par des pin@@aux lumineux. L'invention concerne en outre l'application de ce dis- positif optique à la détermination du diamètre de particules sphéri- ques transparentes ou non. La façon la plus simple d'obtenir un volume éclairé consiste b former par un système optique l'image d'une source uniforme au voisinage du centre du volume de mesure,suivant une di rection perpendiculaire à l'axe du tube de mesure dans lequel circulent les particules, ce tube étant percé perpendiculaire@ent à son axe pour laisser passer les faisceaux optiques incidents et ré- fléchis (particules opaques) ou réfractés (particules transparentea). L'énergie réfractée ou réfléchie par la particule est captée par un système optique et un récepteur photoélectrique con- jugué du centre du volume de mesure. Le faisceau incident et le faisceau réfracté ou réfléchi font entre eux un angle choisi en fonction de la forme du volume de mesure, de l'indice de réfraction de la particule et de la forme de l'indicatrice de diffusion dans le cas du faisceau réfléchi (voir à ce propos les articles suivants: @Détection photonique de la lumière diffusée par les aérosols par P.Y. TURPIN, Rev.d'Opt. X06 Juin 67, pp.309-326; Melle M.DELONCLE , Thèse Paris 1963, flev. d'Opt. t. 42, .1963 , p.157-196; le brevet US 3.851.169 et le brevet FR 74 33 345 (n de publication 2.246.863)). Un tel dispositif présente deux inconvénients: D'une part, il est difficile dans les conditions opdra- toires de définir nettement les bords du volume éclairé et observé, sauf au prix d'une forte diaphragmation qui entraîne une perte au niveau du signal photoélectrique. D'autre part, une particule se déplaçant suivant une trajectoire parallèle à l'axe du tube de mesure., située dans le plan formé par cet axe et itaxe du faisceau incident, donnera une réponse différente pour un même défaut de mise au point, suivant qu'elle est en avant ou en arrière de cet axe. Le dispositif optique selon la présente invention permet de remédier à ces inconvénients grâce à un montage optique original permettant de définir, par exemple dans un tube de mesure, un volume @ éclairé, de forme simple, à bords nets, défini uniquement par des pinceaux lumineux, ledit dispositif comportant une source, un premier système optique définissant le faisceau incident, ainsi qu'un deuxième système optique associé à un récepteur photoélectrique définissant l'axe du faisceau réfléchi ou réfracté, ledit disposi- tif étant caractérisé en ce qu'il comprend, après la source sur l'axe du faisceau incident, un condenseur et un premier diaphragme placé dans le plan focal objet d'un premier objectif, un second diaphragme placé au voisinage du plan de la lentille mince équiva- lente i ce premier objectif et un second objectif situé dans le plan focal image dudit premier objectif et projetant dans la zone de mesure l'image du premier diaphragme. Ce dispositif permet d'obtenir un éclairement constant dans tout le volume de mesure. Ce dispositif comporte en outre, sur l'axe du faisceau réfléchi ou réfracté, un troisième objectif dont le foyer objet est situé au centre de ladite zone de mesure et un détecteur ponctuel disposé dans le plan focal image de ce dernier objectif. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend sur l'axe du faisceau réfléchi ou réfracté, et après le troisième objectif mentionné ci-dessus,un quatrième objectif situé dans le plan focal image dudit troisième objectif, un troisième diaphragme disposé au voisinage du plan de la lentille mince équivalente à ce quatrième objectif et un détecteur muni d'un diaphragme de champ situé dans le plan focal image du quatrième objectif. Le dispositif de l'invention peut comprendre en outre, sur l'axe du faisceau incident, un piège à lu d ère parasite ou un récepteur solide associé avec une optique. Le dispositif de la présente invention trouve une application particulièrement intéressante pour la détermination des diamètres de particules sphériques transparentes ou opaques. S'il s'agit de particules transparentes, telles que des gouttes d'eau en suspension dans l'atmosphère,le dispositif optique est dénommé "capteur granulométrique de nuages. L'intérêt de cet appareil est d'effectuer, en fonction de l'altitude, une mesure du nombre de gouttes d'eau, et d'établir la répartition statistique de leur diamètre par tranches d'épaisseur. Cette mesure doit entre effectuée au voisinage de l'axe d'un tube dans lequel circule le fluide porteur des particules I1 importe donc de pouvoir définir, le plus loin possible de la paroi du tube, un volume de mesure, de forme simple, d bord net et défini uniquement par des pinceaux lumineux. Ce volume de mesure est en général de petite dimension afin qu'il n'y ait pas plus d'une particule à la rois à l'intérieur de ce volume de mesure. Le principe de la mesure consiste à éclairer le volume de mesure et i recevoir sur un détecteur photoélectrique une partic de l'énergie réfractée et diffractée par la particule lorsqu'elle traverse ce volume. Le dispositif de l'invention répond parfaitement aux eonditions impératives exigées pour la réalisation dtun capteur quant à la précision que l'on désire obtenir sur la mesure du dia Mètre des particules, à savoir définir un volume dont les bords parallèles aux déplacements des particules soient parfaitement nets, et donner, pour un diamètre fixé,une réponse photométrique identique quelle que soit la trajectoire au sein du volume de mesure. Le dispositif objet de la présente invention sera illus- tré dans la suite de la description,en se référant aux dessins annexés sur lesquels: Figure 1 représente en perspective un dispositif connu dans ltart antérieur; Figures 2a et 2b représentent un dispositif selon l'in Vention avec lequel on opère en réfraction (particules transparentes); Figure 3 est une forme de réalisation particulière du dispositif selon la figure 2 et Figure 4 représente un dispositif selon ltinvention avec lequel on opère en réflexion (particules opaques). La figure 1 représente un dispositif de l'art antérieur dans lequel on fait apparattre les trois dimensions, x, y, z. Selon la figure l,on obtient un volume de mesure (3) en formant,avec un système optique (2),l'image d'une source uniforme (1) au voisinage du centre du volume de mesure suivant une direc tion perpendiculaire à l'axe z du tube de mesure (4) dans lequel circulent les particules. Une partie de l'énergie réfractée ou réfléchie à l'int4- rieur du volume de mesure (3) par la particule est captée par un système optique (5) et un récepteur photoélectrique (6). Un tel dispositif présente néanmoins les inconvénients mentionnés ci dessus. Le dispositif de l'invention est représenté sur la figure 2a dans le plan x, y . On considère sur cette figure un montage avec lequel on travaille en réfraction,c'est-à-dire avec des particules transparente s se déplaçant dans le volume de mesure. La figure 2b représente le dispositif de l'invention dans le plan I, Z . On n'a pas représenté sur cette figure le faisceau réfracté. Un diaphragme champ rectangulaire (11) est éclairé uniformément par une source (S) munie d'un condenseur (C). Le diaphragme1 (11) est placé dans le plan focal objet d'un objectif (12). Un objectif identique (14) , placé dans le plan focal image de l'objectif (12), projette dans la zone de mesure (13) l'image du diaphragme (11) au grandissement unitaire. Un détecteur ponctuel (16), placé dans le plan focal image d'un objectif (15),reçoit une fraction fixe du flux diffracté et réfracté par la particule. L'angle d'observation est noté &alpha;. Cet angle est compris entre 20 et 400 environ. I1 est nécessaire de donner au faisceau lumineux incident une certaine ouverture plan x, s ) compatible aveo la précision que l'on désire obtenir sur la mesure du diamèt@ des particules. L'angle d'ouverture 2 # (plan x, y) du faisceau incident est plus faible que l'ouverture 2ss (plan x, z ), L'angle 2ss est compris par exemple entre 16 et 180 enrtron,et l'angle 2 # entre 2 et 40 environ.On place donc contre l'objectif (12) un diaphragme d'ouverture (17),de forme rectangulaire,dont la largeur suivant un axe parallèle a y est petite et déterminée par la précision désirée; la hauteur du diaphragme peut Entre grande,elle est limitée par l'angle d'ouverture 2ss, calculé en fonction de la profondeur de champ désirée. Le dispositif comprend en outre, sur l'axe du faisceau incident, un piège à lumière parasite (P) permettant d'éliminer la lumière directe; le piège (P) peut également eAtre un récepteur solide associé avec une optique dans le but de mesurer le flux lumineux issu de (S) et de l'utiliser à des fins de régulation. On remarquera que les deux faisceaux lumineux incidents issus des points A et B de la source (11) forment leurs images (13) en A' et B' respectivement avec une incidence nulle pour le rayon moyen, et que les deux faisceaux de sommet At et B' sont invariants par translation dans le champ. On constate expérimentalement qu'avec le dispositif objet de l'invention,si on considère des particules identiques, les valeurs crêtes des signaux sont rigoureusement identiques quel- le que soit la trajectoire aer particules, parallèle à l'axe 8 et traversant le volume de mesure. D'autre part, le détecteur (16) reçoit un flux infiniment petit puisque l'ouverture 2 # est faible. Ce récepteur (16) est avantageusement un récepteur solide. C'est la raison pour laquelle, afin d'obtenir un signal important,on utilise lo montage de la figure 2 dans lequel on remplace les éléments (15), (16) de la voie de mesure par un en- semble identique au système d'éclairage incident et comprenant (figure 3) l'objectif (15) dont le toyer objet est situé au centre de la zone de mesure (13), un objectif (18) situé dans le plan focal image de (15) , un détecteur (19) muni d'un diaphragme de champ (20) situé dans le plan focal image de (18) et de dir gaion supérieure à l'image de (13) dans (15) et (18) dans la direction parallùle à l'axe z .On place contre l'objectif (18) un diaphragme d'ouverture de forme rectangulaire tel que sa dimension suivant y soit petite comparée à Sa hauteur suivant s, ce diaphragme (10) étant avantageusement choisi identique au diaphragme (17). La po@it@@ parti@ulière des diaphragmes (17) et (10) correspond à la situation des "pupilles télécentriques". Dans le cas présent, on appellera "pupille télécentrique" un diaphragme (17) tel que, quel que scit le lieu où l'on se trouve sur l'axe z ou sur un axe parallèle on voit toujours le diaphragme (17) à l'infini. La R remarque est à faire en ce qui concerne le diaphragme (10). Le dispositif optique selon l'invention présente un certain nombre d'avantages dus à l'utilisation des pupilles télécentriques de forme rectangulaire; -L'amplitude crête du signal pour des particules identiques ne varie pas, quel que soit le point considéré du champ éclairé. Cela est dû à l'utilisation de la pupille télécentrique qui permet la conservation de l'étendue géométrique dans le champ image. -L'amplitude crête du signal est identique quelle que soit la trajectoire de la particule, parallèle à l'axe i et tra versant le volume de mesure autour de (13). -le flux disponible est grand par rapport à celui que l'on obtient avec une optique classique limitée par une ouverture circulaire, car on a pu dissocier la largeur et la hauteur et faire porter la tolérance uniquement sur la largeur, ce qui permet de gagner en flux en aug@entant la hauteur. Sur la figure 4,on a représenté, toujours dans le plan xy , le dispositif objet de l'invention,avec lequel on travaille en réflexion,c'est-à-dire avec des particules opaques se déplaçant dans le volume de mesure. Ce dispositif est absolument identique à celui de la figure 3, références comprises, à la seule exception que , dans le cas de particules opaques, on utilise la lumière réfléchie et/o@ diffusée par la particule. Pour obtenir le signal maximal, on place le système récepteur (19) du même côté de l'axe y que le système d'éclairage. L'angle Q entre l'axe du faisceau incident et l'axe du faisceau réfléchi est choisi pour obtenir le meilleur compromis entre le niveau de signal et la définition du volume de mesure.Cet angle # est de l'ordre de 30 à 90 , de préférence de l'ordre de 30 à 60 . La suite de la description est faite en référence aux exemples concernant les deux applications principales du dispositif optique selon la présente invention. Ces exemples ne sont donnés qu'à titre illustratif, sans aucunement limiter la portée de l'invention. EXEMPLE 1: Capteur granulométrique L'intérêt de ce capteur granulométrique est d'effectuer, en ronetion de l'altitude, une mesure du nombre de gouttes d'eau dans les nuages et d'établir la répartition statistique de leur diamètre par tranches d'épaisseur. La qualité de cette mesure, effectuée à l'intérieur d'un tube cylindrique de 22mm de diamètre, est liée à la définition d'un volume d'épreuve de 3 3,de forme simple, à bords mets, défini uniquement par des pinceaux lumineux. Le volume de mesure a été choisi égal à 3 mm3 afin qu'il n'y ait jamais,en moyenne, plus d'une goutte d'eau dans le volume de mesure, pour une densité moyenne de 300 gouttes/cm3. Si on veut analyser des aérosols contenant plus de 300 gouttes/cm3,il faut diminuer le volume de mesure. Le principe de la mesure consiste à recevoir sur un détecteur phctoélectrique une partie de l'énergie réfractée dans une demi-espace par la sphère d'eau lorsqu'elle traverse la zone d'épreuve. Plus grand est le diamètre de la particule, plus l'éner gie réfractée sera élevée, et plus intense sera ra le signal sur le détecteur. La réalisation d'un volume d'épreuve parallélipipède rectangle n'est pas compatible avec l'obtention d'une énergie suffisante au niveau du détecteur (l'énergie réfractée perpendiculairement à l'axe optique d'éclairage étant trop faible). La mesure a été faite avec un angle &alpha; de 30 . Le volume d'épreuve a la ferme d'ton parallélipipède droit dont la section est un parallélogramme (2,6 x 1,5 mm2) et dont l'épaisseur est de 0,77mm. La recherche d'un flux maximal sur la voie de mesure conduit à rechercher la source lumineuse donnant la luminance la plus forte.Pour des raisons d'homogénéité d'éclairement de la zone d'épreuve et de prix de revient, il est apparu que la meilleure source était une lampe à incandescence aux halogènes de 10 W utilisée sous une puissance de 17 W. La précision demandée sur le diamètre des gouttes (20%) limite l'ouverture 2 # des pinceaux lumineux afin que les variations d'éclairement au bord du volume d'épreuve soient suffisam- ment brutales (on prend par exemple 2 # = 2 45'). Le détecteur doit être choisi afin de répondre aux impé- ratifs suivants: sensibilité maximale, bruit minimal, bonne lintari- té, surface sensible compatible avec le diaphragme de champ,faible variation des caractéristiques avec la température. Deux modèles ont été envisagés: photodiode PIN 5 D (UDT) de surface sensible de diamètre 2,5 mm,et photodiode Pli 6 D (UDT) de surface sensible de diamètre 5-. Le modèle 5D est plus performant en rapport signal à bruit (s/b) niais exige un centrage précis par rapport au diaphragme de champ. Le domaine de mesure s'étend en diamètre de 10 à 500 microns avec une densité moyenne maximale de 300 particules par cm3. Le flux re*u par le détecteur lorsqu'une bille de verre de diamètre 10 microns se trouve dans le champ est de 2.10-9 w ce qui,avec une bande passante de 60 KHz, donne un rapport s/b de 35. Cette bande passante est celle nécessaire pour le passage de gouttes à 10 m/s. La fluctuation moyenne de l'éclairement dans tout le champ est de + 6%, ae qui donne une erreur de 3% sur la me- sure du diamètre. Ce capteur trouvera une utilisation particulièrement appropriée en météorologie. On peut également utiliser ce capteur granulométrique pour l'étude. des mélanges air-essence de carburateur, ou des injecteurs des moteurs à explosion,pour l'étude des aérosols dans les tours de refroidissement de centrales thermiques-nucléaires, et pour la calibration de micro-billes. EXEMPLE 2 On peut également utiliser le granulomètre pour faire des mesures sur des particules opaques telles que: des émeris, des ciments, des poussières en suspension dans une fumée etc... Tous les éléments utilisés dans l'exemple 1 conviennent également ici. Au lieu de travailler en réfraction,on travaillera en réflexion,et l'angle de réfléxion # est de 45 . Le domaine de mesure est le même que dans l'exemple 1. -REVENDICATIONS 1. Dispositif optique permettant de définir, par exemple dans un tube de mesure, un volume éclairé, de forme simple, à bords nets, défini uniquement par des pinceaux lumineux,ledit dispositif comportant une source, un premier système optique définissant le faisceau inoident,anisi qu'un deuxième système optique et un récepteur photoélectrique définissant l'axe du faisoeau réfléchi ou réfracté,ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il cemprend,après la source (S) sur l'axe du faisoeau incident, un condenseur () et un premier diaphragme (11) placé dans le plan focal objet d'un premier objectif (12),un second diaphragme (17) placé au voisinage du plan de la le lentille mince équivalente à ce premier objectif (12),et un second objectif (14) situé dans le plan focal image dudit premier objectif (12) et projetant dans la zone de mesure (13)l'image du premier diaphragme (11). 2.Dispositif optique selon la revendication l,caractérisé en ce qu'il comprend en outre,sur l'axe du faisceau réfléchi ou réfracté, un troisième objectif (15) dont le foyer objet est situé au @entre de ladite zone de mesure (13),et un détesteur ponctuel (16) disposé dans le plan focal image de ce dernier objectif (15). 3. Dispositif selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'il comprend,sur l'axe du faisceau réfléchi ou réfracté,et après le troisième objectif (15),un quatrième objectif (18) situé dans le plan foeal image de l'objectif (15,un troisième diaphragme (10) disposé au veisinage du plan de la lentille mince équivalente à ce quatrième objectif (18) et un détecteur (19) muni d'un diaphragme do champ (20) situé dans le plan focal image du quatriè- me objectif (18). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce qu'il comprend en outre,sur l'axe du fais c@au incident,un piège à lumière parasite ou un récepteur solide associé avec une optique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que les diaphragmes (17) et (10) sont identi ques, de même que les objectifs (12) et (14) et (15) et (18). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que les diaphragmes (17) et (10) somt placés en position télécentrique . 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que la source (S) est à incandescence et le détecteur (16,19) est un récepteur solide. 8.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du faisceau incident 2 &gamma; est d'environ 2-4 . 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du faisceau incident oS est d'environ 16-18 10. Dispositif selon l'une quelconque dos revendica- tions 1 à 9 avec lequel on travaille en réfraction,caractérisé en ce que des particules transparentes sphériques se déplacent dans le volume de mesure et l'angle d'observation est de l'ordre de 20-40 . 11.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 avec lequel on travaille en réflexion,caractérisé en ce que des particules opaque s sphériques se déplacent dans le volume de mesure et l'angle d'observation Q est do l'ordre de 30 -60 12. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à la détermination statistique du diamètre de particules sphériques transparentes, telles que dos gouttes d'eau. 13. Application du dispositif selon l'une quelconque dos revendications 1 à 9 et 11 à la détermination du diamètre de particules sphériques opaques, telles que des émeris, des ciments et des poussières en suspension dans une fumée.