Brevet FR2399018A1 — publié le 19790223

L'invention concerne un dispositif approprie pour l'utilisation dans un appareil de détermination des caractE- ristiques optiques d'un liquide, et plus particulièrement C:'un mélange de liquides s'ecoulant dans un courant. De tels dispositifs fonctionnent de manière à faire passer un courant c's liquide devant un capteur et à détecter les caractéristiques du liquide en dirigeant un faisceau de lumière à travers le courant et vers le capteur; les variations de la lumière revue par le capteur sont des indications des variations dans les caracteristiques en cours de détection. Paur diverses raisons pratiques, ces dispositifs sont parfois équipés aussi de moyens destinés à rompre le courant liquide avant qu'il ne s'écoule devant le capteur, par l'introduction de bulles gazeuses dans le courant. Ceci sert, par exemple, à surmonter divers problèmes tels que les variations parasites dues à la.turbulence dans l'ecoulement du liquide, en outre, lorsqu'il s'agit d'un inelange de liquides, la variation dans la composition du mélange lorsqu'il passe en regard du capteur est ainsi rendue plus distincte.Le brevet anglais nO 1 445 091 du même dëposant décrit et revendique un dispositif de mesure des caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant, dispositif dans lequel le courant est tronçonné en une série de segments liquides séparés par des segments gazeux, et l'on dirige de la lumière transversalement à la direction du courant sur un détecteur photoélectrique, auquel sont associés des moyens afin de produire un signal de sortie qui dépend de la relation entre la valeur du signal de sortie du détecteur phatoélectrique lorsque le fåisoeau-lumineux traverse un segment liquide contenant l'échantillon, et la valeur de ce signal lorsque le faisceau lumineux traverse un segment gazeux formant tampon.Etant donne que seule est intéressante la valeur du signal lorsque la lumière traverse le segment liquide porteur d'échantillon, il est important de pouvoir faire la discrimination entre le signal arrivant au détecteur après avoir traverse un segment liquide porteur dréchantillon et la lumière arrivant au détecteur après avoir traversé un segment-tampon gazeux.Le brevet anglais nO 1 404 239 du même déposant concerne un circuit discriminateur destiné à l'utilisation dans un tel appareil et ayant des temps de réponse différents aux signaux en montée ou en décroissance, ainsi qu'un seuil critique, de manière à produire un signal de sortie qui dépend seulement du signal engendré par le détecteur à partir de la lumière qui le frappe après avoir traversé le segment liquide porteur d'échantillon.De façon appropriée, le liquide est contenu dans un canal tubulaire transparent, celui-ci jouant le rôle d'une lentille cylindrique fortement divergente au passage des segments-tampons gazeux, ce qui aide à la discrimination en assurant qu'une grande partie de la lumière est réfractée à l'écart du détecteur optique de telle sorte que l'amplitude du signal produit par le détecteur lorsque la lumière a traversé un segment-tampon gazeux est beaucoup plus faible que celle du signal produit à partir de la lumière incidente qu'a traversé un segment liquide porteur d'échantillon. Un tel système, impliquant la transmission de la lumière à travers le passage du courant et dans une direction transversale, présente toutefois l'inconvénient que la partie du trajet lumineux qui traverse les segments liquides est nécessairement de longueur faible, et en conséquence de faibles indications dans les propriétés du liquide sont difficiles à déterminer. Bien entendu, il est connu que pour augmenter cette longueur du trajet de la lumière dans le liquide on peut diriger la lumière parallèlement à la direction de l'écoulement plutôt que perpendiculairement, en utilisant un canal pourvu de deux coudes à angles droits ; mais dans un système qui utilise un courant tronçonné, cette solution n-' est pas possible car on perd alors la possibilité de discrimination entre les segments-tampons gazeux et les segments porteurs d'échantillons. L'invention a pour but de procurer un dispositif destiné à l'utilisation dans un appareil de détermination des caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant tronçonné par des segments-tampons gazeux, dans lequel on peut allonger le trajet de la lumière dans le liquide afin d'améliorer la sensibilité de l'appareil. sans pour autant perdre la discrimination entre la lumière qui traverse le liquide et la lumière qui traverse les segments-tampons gazeux. En conséquence, un dispositif suivant l'invention, destiné à l'utilisation dans un appareil de détermination des caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant en écoule- ment en dirigeant un faisceau lumineux sur le courant et en captant la lumière qui le traverse, comprend des moyens en vue de définir un trajet d'écoulement pour le courant de liquide, et des moyens en vue d'orienter la lumière incidente dans le courant liquide de façon qu'elle-se propage dans une direction sensiblement parallèle à celle de l'écoulement de ce courant liquide sur une partie de son trajet, les moyens mentionnés comprenant des organes de guidage de la lumière dont chacun a au moins une face située dans le trajet d'écoulement en vue de contact avec le liquide qui s'écoule le long de cet organe. Dans l'utilisation de ce dispositif, le comportement de la lumière est différent suivant que la face mentionnée est en contact avec le liquide qui s'écoule sur son trajet, ou que cette meme face est au contact de segments gazeux, de sorte que l'on conserve la discrimation entre la lumière qui traverse le liquide et la lumière qui traverse les segments-tampons gazeux. De préférence la face mentionnée de chaque organe de guidage ou guide-lumière est sensiblement plane et inclinée par rapport à la direction du faisceau guidé par le guide-lumière, bien que dans d'autres modes de réalisation la face en question de chaque guide-lumière puisss avoir une courbure concave ou convexe de manière à assurer une interface de réfraction à la traversée de laquelle la lumière se comports différemment suivant que c'est le liquide ou le segment-tampon gazeux qui est au contact du guide-lumière. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, la face précitée de chaque guide-lumière est inclinée sensiblement à 450 par rapport à la direction du faisceau lumineux dans le guide-lumière. Les moyens qui définissent le trajet d'écoulement du courant liquide peuvent être constitués de toute manière connue, bien que dans le mode préféré de réalisation de l'invention, ils sont réalisés sous forme de bloc dans lequel sont ménagés des passages d'entrée et de sortie et un canal principal d'écoulement qui s'étend transversalement par rapport aux passages d'entrée et de sortie, les guide-lumière étant positionnés dans le bloc de manière à orienter la lumière dans une direction sensiblement parallèle au canal principal d'écoulement.Les guide-lumière peuvent avoir-une section transversale de surface sensiblement différente de celle du canal principal d'écoulement. cependant il est commode que cette surface de section transversale du guidelumière soit semblable à celle du canal principal d'écoulement de telle sorte que la face précitée de chaque guide-lumière puisse servir au moins partiellement comme surface de guidage du liquide dans le bloc. Il est possible de cette manière de réduire le caractère aigu des changements de direction dans l'écoulement du liquide. L'invention couvre également un appareil destiné à déterminer les caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant en écoulement, comprenant des moyens en vue de briser le courant en tronçons ou segments en y introduisant des bulles gazeuses, un dispositif comme décrit ci-dessus par lequel, dans l'utilisation de l'appareil, on fait passer le courant tronçonné. des moyens en vue d'orienter un faisceau lumineux suivant un premier des guide-lumière de l'appareil de manière que ce faisceau pénètre le courant en écoulement dans une direction sensiblement parallèle à celle de cet écoulement, et des moyens sensibles à la lumière positionnés de manière à recevoir la lumière sortant du ou de l'un des autres guide-lumière et susceptibles d'y répondre par la production de signaux de sortie représentatifs de la lumière qui les atteint. Si le canal principal d'écoulement est entièrement rempli de liquide, il y a deux interfaces gulde-lumièreliquide, et le faisceau lumineux incident par un guide-lumière est canalisé en traversant le bloc avec une très faible perte dans la transmission de la lumière d'un guide à l'autre. Si, d'autre part, le canal principal d'écoulement est entièrement rempli de gaz (qui serait normalement de l'airs il y a deux interfaces guide-lumière/gaz, et étant donné que l'indice de réfraction du gaz est moindre que celui du liquide, la lumière sera réfractée ou réfléchie à l'interface rencontrée en premier ou aux deux interfaces, de sorte que, ou bien aucune lumière incidente n'atteindra le détecteur, ou bien il ne sera atteint que par une très faible proportion de cette lumière. Si le canal principal d'écoulement est rempli partiellement de liquide et partiellement de gaz, il peut y avoir une ou deux interfaces guide-lumière/liquide. Dans ce dernier cas. la bulle de gaz située dans le canal principal d'écoulement a deux interfaces avec le liquide. De préférence, le canal principal d'écoulement est dimensionné de telle sorte que le ménisque formé à l'interface gaz/liquide joue le rôle d'un miroir courbe de sorte que. dans ces circonstances, la lumière pénétrant dans le liquide par l'un des guide-lumière est réfléchie aux interfaces courbes entre le liquide et le gaz de telle manière qu'il n'y a qu'une très faible transmission de lumière au guide-lumière de sortie. On va maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 illustre de manière schématique une cellule d'écoulement usuelle La figure 2 est un dessin également schématique illustrant un mode de réalisation de l'invention ; La figure 3 est un schéma qui représente la variation du signal de sortie d'un photo-détecteur positionné de manière à recevoir la lumière transmise à travers la cellule conventionnelle de la figure 1 , et La figure 4 est un schéma qui représente la variation du signal de sortie d'un photo-détecteur positionné de manière à recevoir la lumière transmise à travers le dispositif de l'invention représenté à la figure 2. En se reportant à la figure 1, la cellule conventionnelle d'écoulement représentée comprend un canal d'entrée Il et un canal de sortie 12 ainsi qu'un canal principal d'écoulement 13 qui s'étend transversalement entre les canaux d'entrée et de sortie. Dans le mode de réalisation représenté, les canaux d'entrée et de sortie Il et 12 sont parallèles l'un a l'autre et Drientés en sens opposés par rapport au canal principal d'écoulement 13. En variante, les canaux d'entrée et de sortie peuvent toutefois être placés du même coté du canal principal d'écoulement 13 de telle sorte qu'après avoir traversé le canal principal d'écoulement, le liquide revient dans la direction de la source suivant le canal de sortie 12. En fait, les canaux d'entrée et de sortie peuvent être inclinés sous presque n'importe quel angle l'un par rapport à l'autre.La lumière d'une source lumineuse 14 est transmise dans la direction de la flèche A vers le canal principal d'écoulement 13 (qui a des parois transparentes), et passe suivant la longueur du canal principal 13 parallèlement au courant de liquide dans ce canal et jusqu'à un photo-détecteur 15. Un tel dispositif convient pour l'utilisation dans des systèmes comportant un écoulement de liquide continu ou quasi-continu, mais dans l'utilisation avec un système dans lequel le liquide est tronçonné par l'introduction de bulles gazeuses comme décrit ci-dessus, ou perd l'avantage de cette introduction de bulles de gaz.De plus, en raison des changements aigus de direction entre les canaux d'entrée et de sortie 11, 12 et le canal principal d'écoulement 13, le courant liquide dans ce canal principal n'est pas un écoulement régulier, mais un écoulement turbulent, ce qui affecte en les dégradant les performances de l'appareil. En se reportant maintenant à la figure 2 on a représenté un dispositif destiné à l'utilisation avec un appareil dans lequel un courant en écoulement est tronçonné en segments par l'introduction de bulles de gaz. Le dispositif comprend un bloc principal 16 dans lequel sont ménagés trois passages servant respectivement de canal d'entrée 17, de canal de sortie 18 et de canal principal d'écoulement 19. Les canaux d'entrée et de sortie 17, 18 sont raccordés a des tuyauteries appropriées 17a, 18a destinées à amener le liquide au dispositif à partir d'autres constituants de l'appareil et à évacuer ce liquide hors de l'appareil. A chaque extrémité du bloc 18 sont situés deux guidelumière 20, 21 qui se prolongent dans le canal principal d'écoulement 19. Les faces terminales des guide-lumière 20, 21 placés à l'intérieur du canal principal d'écoulement 19 (et désignés par les références 20a, 21a) sont meulées et polies suivant un angle de 450 par rapport à la longueur des guide-lumière. Les extrémités opposées des guids-lumière, désignées par 20b, 21b respectivement sont meulées et polies perpendiculairement à la longueur des guide-lumière en vue de recevoir et transmettre la lumière dans une direction parallèle à la longueur des guidelumière. Lors de l'utilisation du dispositif, le liquide passe par la canalisation 17a dans le canal d'entrée 17, s s'écoule sur la longueur du canal principal d'écoulement 19 et sort par le canal de sortie 18 dans la canalisation de sortie 18a. Le liquide est divisé en tronçons ou segments par des bulles gazeuses, et ces segments sont légèrement plus longs que le canal principal d'écoulement 19. La lumière de la source 22 est dirigée vers le guide-lumière 20, sur la face teminale perpendiculaire meulée et polie ZOb, et elle est transmise suivant le guide-lumière 20 dans le canal principal d'écoulement 19.Si le canal principal d'écoulement 19 est rempli de liquide, la surface 20a-du guidelumière définit une interface de guidage liquide/guide-lumière, et en conséquence la lumière est transmise à partir du guide-lumière dans une direction sensiblement parallèle au canal principal d'écoulement 19 (c'est-à-dire, inclinée sous un angle pouvant aller jusqu'à 100 par rapport au canal) vers la face terminale en regard 21a du guide-lumière ds sortie 21. Les guide-lumière, dans ce mode de réalisation, sont constitués en quartz sous forme de barres pleines et, comme pour l'interface quide-lumière/liquide 20a,l'interface guide-lumière/liquide 21a reçoit la lumière et la transmet de façon sensiblement parallèle au guide-lumière 21 à travers la face terminals 21b vers un photo-détecteur 23. Lorsqu'une bulle gazeuse de sectionnement pénètre dans le canal principal d'écoulement 19 par le conduit d'entrée 17, la surface 20a devient une interface gazZquartz, et du fait que l'indice de réfraction du gaz est moindre que celui du liquide, la lumière transmise parallèlement au guide-lumière 20 va subir à l'interface définie par la surface 20a une réflexion totale interne, étant donné que l'angle d'incidence sur la surface 20a (orientée à 459 par rapport à la longueur du guide-lumière 20) est en l'occurrence supérieur à l'angle critique. Aucune lumière de la source 22 n'est transmise dans le canal principal d'écoule ment 19 et en conséquence le signal de sortie du détecteur 23 tombe à un niveau faible. Au cas où la bulle de gaz est de longueur plus faible que celle du canal principal d'écoulement 19, elle occupe une position intermédiaire dans ie canal principal 19,.ives guidelumière 20, 21 ayant tous deux des interfaces liquide/quartz aux faces 20a et 21a. La lumière de la source 22 est ainsi transmise du guide-lumière 20 dans le liquide et toute lumière présente dans le liquide à l'interface 21a est transmise dans le guidelumière 21.Cependant, le diamètre du canal principal d'écoulement 19 est choisi de telle manière que le ménisque à l'interface liquide-gaz présente une courbure sur la quasi-totalité de sa surface de sorte que le ménisque agit comme un dispositif de réfraction concave ou convexe (suivant le sens de la lumière incidente) au niveau duquel la plus grande partie de la lumière transmise dans la longueur du canal principal d'écuulement 19 subit une réfraction. Cette lumière est largement perdue ce qui fait qu'ici encore, le signal de sortie du photo-détecteur 23 est à niveau faible. Lorsque la bulle atteint l'extrémité du canal principal 19, la surface 21a se comporte comme interface gaz/quartz, et toute lumière transmise dans le gaz par l'interface du ménisque convexe de réfraction subit une réflexion sur la surface 21a du guide-lumière 21. En se reportant aux figures 3 et 4 on voit que la perte de lumière due à la présence de bulles d'air dans le conduit principal d'écoulement 13 d'une cellule usuelle d'écoulement telle que celle représentée à la figure 1 est relativement faible, de sorte que le niveau du signal de sortie du détecteur 15 lorsque la cellule d'écoulement 13 est remplie d'air (ceci correspond au niveau C de la figure 3) n'est pas beaucoup plus faible que le signal engendré lorsque le canal principal 13 est rempli de liquide (ceci correspondant au niveau A de la figure 3) bien que le niveau du signal de sortie représenté par B à la figure 3 lorsqu' il y a une ou plusieurs bulles gazeuses dans le canal principal d'écoulement 13 est notablement plus bas en raison de l'effet de ménisque réfléchissant. Comme on peut le voir à la figure 4, le niveau de signal A lorsque la cellule principale d'écoulement 19 du mode de réalisation de la figure 2 est rempli de liquide est beaucoup plus élevé que le niveau de signal D créé lorsque le canal principal d'écoulement est rempli-d'air ou lorsque de l'air est présent dans ce canal principal d'écoulement, même s'il ne le remplit pas complètement. On remarquera que, bien que l'on ait décrit sn relation avec le mode de réalisation spécifique représenté à la figure 2 des guide-lumière pourvus de surfaces planaires inclinées à 450 par rapport à la longueur de ces guide-lumière, d'autres configurations sont parfaitement possibles. Par exemple. on peut utiliser des surfaces planes à des angles différents de 450, ou bien des surfaces courbes (soit concaves soit convexes] afin d'obtenir la différenciation nécessaire entre le comportement de la lumière se propageant le long du guide-lumière lorsqu'elle atteint l'interface entre le guide-lumière et un liquide ou le guidelumière et un gaz, différenciation nécessaire pour assurer une discrimination accrue entre les signaux lumineux qui traversent seulement le liquide et ceux qui traversent au moins partiellement le gaz. La grandeur de la différence de signal est importante étant donné que ce sont les variations dans la valeur du niveau de signal A qui offrent de l'intérêt, et naturellement s'il est créé des faux signaux à un niveau qui ne diffère pas beaucoup du niveau de signal A, par exemple au niveau de signal C de la figure 3, la gamme des mesures possibles au moyen de l'appareil est moins étendue que dans des circonstances telles que celles illustrées à la figure 4 où les faux signaux sont à un niveau beaucoup plus faible > on peut alors détecter des variations plus étendues dans la valeur du niveau de signal A sans qu'il puisse s'relaver aucun doute par lequel on pourrait attribuer à ces signaux un caractère de faux signaux. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à l'utilisation dans un appareil pour déterminer les caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant en écoulement en dirigeant un faisceau lumineux sur le courant et en captant la lumière transmise après traversée du courant, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (16,19) qui définissent un trajet d'écoulement pour le courant de liquide, et des moyens t20, 21) en vue d'orienter la lumière incidente dans le courant liquide de façon qu'elle se propage dans une direction sensiblement parallèle à celle de l'écoulement liquide sur une partie dudit trajet, les moyens mentionnés (20, 21) pour l'orientation de la lumière dans le courant comprenant des guide-lumière (20,21) dont chacun a au moins une face t20a, 21a3 située dans le trajet d'écoulement en vue d'être en contact avec le liquide qui s'écoule le long du guide-lumière. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face précitée (20a, 21a) de chaque guide-lumière (20,21) est sensiblement plane, et est inclinée par rapport à la direction du faisceau lumineux orienté par le guide-lumière (20, 211. 3. Dispositif suivant la revendicatio.n 2, caractérisé en ce que la face précitée (20a, 21al de chaque guide-lumière t20,211 est inclinée sensiblement à 450 par rapport à la direction du faisceau lumineux orienté par le guide-lumière t20,213. 4. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la face précitée de chaque guide-lumière (20,21) est courbe. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la face précitée de chaque guide-lumière (20,21) présente une courbure convexe. 6, Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens t16,191 qui définissent un trajet d'écoulement pour le courant de liquide comprennent un bloc (18) dans lequel sont ménagés des passages d'entrée et de sortie t17.183 et un canal principal d'écoulement t191 qui s'étend transversalement par rapport aux passages d'entrée et de sortie (17,18), les guide-lumière (20,21) étant positionnés de manière à orienter la lumière suivant le canal principal d'écoulement (193. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les guide-lumière E20,213 sont montés dans le bloc (16) de telle sorte que les faces précitées (20e, 21a) des guide-lumière servent de surfaces de guidage du liquide dans les moyens qui définissent un trajet d'écoulement du liquide. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce chaque guide-lumière i20,213 présente une extrémité (20b, 21b) opposée à l'extrémité précitée (20a, 21au, destinée à recevoir la lumière qui y tombe en provenance d'une source de lumière, lesdites extrémités opposées t20b, 21b) étant sensiblement perpendiculaires à la direction de la lumière orientée par les guide-lumière. 9. Appareil pour la détermination des caractéristiques optiques d'un liquide dans un courant en écoulement, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de briser le courant en segments en y introduisant des bulles gazeuses, un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 par lequel on fait passer le courant segmenté lors de l'utilisation de l'appareil, des moyens (22] en vue d'orienter un faiscau lumineux suivant un premier guide-lumière (20) de manière que ce faisceau pénètre le courant en écoulement dans une direction sensiblement parallèle à celle de cet écoulement. et des moyens t293 sensibles à la lumière positionnés de manière à recevoir la lumière sortant du ou de l'un des autres guide-lumière et adaptés en vue de répondre par la production de signaux de sortie représentatifs de la lumière qui atteint ces moyens.