Brevet FR2459967A1 — publié le 19810116

La présente invention est relative à un procede et à un dispositif d'évaluation quantitative des troubles et matières en suspension dans un fluide. De façon connue en soi, le procedé fait appel à la mesure d'une perte d'intensite lumineuse à travers le fluide, dans une zone de mesure. On connait par exemple des matériels, notamment destinés à l'étude des fermentations et des cultures microbiennes, comportant un tube en verre transparent dans lequel un piston permet à volonté l'admission du fluide à étudier, en pratique un liquide, en assurant par son mouvement de va-et-vient contre la paroi du tube le nettoyage des dépôts éventuellement formés sur celle-ci ; dans des positions diametralement opposées sont disposés, à proximité immédiate de la face extérieure du tube, respectivement une lampe et un photo-récepteur délivrant un signal fonction de l'intensité lumineuse qu'il reçoit de la lampe, à travers le milieu dans le tube. L'ensemble formé par le tube, le piston, la lampe et l'élément photorécepteur est immerge dans le fluide, ce qui présente un inconvénient en ce que notamment l'élément photo-récepteur est ainsi exposé à la température, généralement basse, de ce fluide et aux variations de cette température, alors qu'il s'agit généralement d'un élément, tel qu'une photo-diode, un photo-transistor, une photo-résistance, particulièrement sensible à la température. Un autre inconvénient de ce système réside dans la nécessite de pratiquer des mesures de référence pour tenir compte d'eventuelles variations de l'intensité lumineuse émise dans le temps, par exemple du fait du vieillissement de la lampe. Enfin, ce systeme destiné à réaliser des prises de mesure espacées dans le temps, en discontinu, ne se prête pas à une utilisation en continu, pendans des temps longs, notamment en raison de la presence du piston, d'une part pour des raisons mécaniques et d'autre part du fait qu'un frottement répeté du piston contre la paroi en verre du tube provoque sur celle-ci l'apparition de rayures qui la dépolissent et facilitent son encrassement, ce qui entraine l'impossibilité de pratiquer des mesures significatives. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif qui, en remédiant à ces inconvénients, puisse être utilisé notamment, mais non exclusivement, pour l'évaluation quantitative des troubles et matières en suspension dans un milieu généralement liquide, en particulier lorsque l'on désire faire cette évaluation en continu ; parmi les applications possibles d'un matériel offrant ces possibilités, on peut par exemple citer la mesure en continu de la concentration des boues dans les bassins d'aération des stations d'épuration d'eau, afin d'utiliser ce paramètre pour contrôler l'activité épuratoire du procédé en agissant par exemple sur le taux de recyclage des boues en sortie du décanteur et sur la purge de boues en excès, ou encore le chiffrage de la pollution résiduelle, sous forme de matières en suspension, des eaux sortant de la station d'épuration notamment pour vérifier le bon fonctionnement du décanteur ; on peut également citer le contrôle des opérations de rinçage et de nettoyage de circuits dans lesquels est amené à circuler un fluide chargé et/ou encrassant comme par exemple les installations de traitement du lait et de ses dérives, des jus de fruits, des solutions sucrées, etc..... A cet effet, l'invention propose un dispositif dans lequel l'émetteur et le récepteur de lumière sont placés loin de la zone de mesure, en dehors du fluide, et reliés à cette zone de mesure par des fibres optiques dont les extrémités se font face dans cette zone, choisie telle qu'il s'établisse une circulation de fluide entre ces extrémités ; ainsi, les moyens respectivement émetteur et récepteur de lumière sont placés à l'abri de l'influence thermique du fluide et peuvent fonctionner dans des conditions optimales, même si ce fluide est à température basse ou connait des variations de température importantes comme c'est le cas dans de nombreuses installations ; d'autre part, le non-encrassement des extrémités respectives des fibres optiques situées dans la zone de mesure résulte naturellement du fait de la circulation du fluide, sans piston ni autre dispositif mecanique de nettoyage plus ou moins délicat et entrainant immanquablement une perte de transparence des surfaces avec lesquelles il est en contact ; il est à noter que la partie du dispositif se trouvant dans la zone de mesure- n'emprisonne pas et n'immobilise pas de fluide comme les dispositifs à piston actuellement connus, et subit de ce fait un encrassement bien moindre tout à fait compatible avec l'auto-nettoyage dû au seul fait de la circulation du fluide. L'invention propose en outre, dans des modes de mise en oeuvrepréfé- rées, plusieurs dispositions tendant à réduire l'influence de divers facteurs extérieurs sur les mesures pratiquées ; par exemple, la perte de lumière à travers la zone de mesure, c'est-à-dire entre les extrémités correspondantes des fibres optiques, s'effectue en comparant les signaux de sortie de deux cellules photo-sensibles dont l'une reçoit directement le rayonnement de la lampe et dont l'autre reçoit ce rayonnement après passage dans les fibres optiques et à travers la zone de mesure, c'est-à-dire des signaux de sortie d'éléments analogues avantageusement placés au même endroit, dans les mêmes conditions notamment de température, ce qui réduit considérablement l'influence de la température sur les mesures ; en outre, une telle disposition compense l'influence du vieillissement de la lampe. Selon une autre disposition préférée, on utilise une lampe, ou plus généralement une source lumineuse, emettant une lumière polychromatique, ce qui permet de réduire considérablement l'influence sur les mesures d'une éventuelle coloration du fluide étudié. Le procéde selon l'invention, pour l'évaluation quantitative des troubles et matières en suspension dans un fluide, par mesure d'une perte d'intensite lumineuse à travers le fluide dans une zone de mesure, est caractérisé en ce que l'on effectue cette mesure entre les extrémités, immergées dans la dite zone, de deux fibres optiques respectivement émettrice et réceptrice, et en ce que l'on provoque l'auto-nettoyage des extrémités immergées des fibres par circulation continue du fluide troublé entre elles. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description cidessous, relative à un mode de mise en oeuvre non limitatif, ainsi qu'aux dessins annexés qui font partie intégrante de cette description. La figure 1 montre un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention, et le mode d'implantation d'un tel dispositif par exemple dans un bassin d'aération d'une station d'épuration d'eau. La figure 2 montre une vue de la cellule de mesure dans ce cas, en coupe par un plan horizontal incluant l'axe optique de mesure. La figure 3 montre un exemple d'intégration de la cellule de mesure à la paroi d'une canalisation pour évaluer le trouble et/ou les matières en suspension dans un fluide circulant à l'intérieur de cette canalisation. Si l'on se réfère plus particulièrement à l'exemple de mise en oeuvre illustré aux figures 1 et 2, on a designé par 1 un bassin d'aération, à l'inte- rieur duquel les eaux à épurer 2 sont amenées à circuler d'une entre située derrière le plan de la figure vers une sortie située devant ce plan ; en parcourant le bassin, les eaux sont mises en contact avec des boues activées et aerées au moyen d'aérateurs de surface (turbines-4b- ou brosses) ou de rampes d'aération immergées (4a). Le dispositif selon l'invention est dans ce cas utilisé pour mesurer en continu la concentration des boues dans l'eau afin d'utiliser ce parametre pour contrôler l'activité épuratoire du procédé en agissant, par exemple, sur le taux de recyclage des boues en sortie du décanteur et sur la purge des boues en excès. Dans ce cas, le dispositif selon l'invention comporte une cellule de mesure 5 immergée dans les eaux 2, reliée par des fibres optiques 6 et 7 à un ensemble emetteur-recepteur 8 quant à lui placé à distance, à l'extérieur du bassin 1, et relié à un tiroir électronique 9 de traitement de l'information fournie par I'émetteur-recepteur 8. Au niveau de la cellule de mesure 5, les fibres 6 et 7 presentent l'une de leurs extrémités, respectivement 10 et 11, et sont maintenues à proximité immediate de cette extrémité par un dispositif commun tel qu'un étrier 12 qui leur assure un positionnement relatif tel que les deux extrémites 10 et 11, en pratique matérialisées par une face transversale par rapport à l'axe de la fibre à ce niveau, soient placées en regard l'une de l'autre, parallèlement entre elles, dans une position telle que les axes respectifs des deux fibres 6 et 7 à proximité immédiate de ces deux extrémités 10 et 11 coincident pour définir un axe optique de mesure 13 orienté perpendiculairement à la direction 14 de deplacement des eaux à épurer dans le bassin 1, et par exemple horizontalement. A cet effet, dans l'exemple illustré, une zone de chacune des fibres 6 et 7 située à proximité immédiate respectivement de l'extrémité 10 et de l'ex trémité 11 est immobilisée, par tout moyen non représente, dans une aile verticale de l'étrier 12, respectivement 15 et 16, les deux ailes 15 et 16 étant reliées sous l'axe optique 13 par une âme horizontale 17 qui maintient en position relative fixe des ailes 15 et 16 et par conséquent des extrémités 10 et 11 des fibres 6 et 7 qu'elles portent. L'étrier 12 est immobilisépar tout moyen dans le bassin 1. De préférence, comme il est illustre, les deux faces d'extrémités 10 et 11 sont protégees par un disque d'un materiau transparent tel que du verre, respectivement 18 et 19, choisi de préférence tel qu'il presente des propriétés anti-adhérentes limitant son encrassement ; ce disque de verre est par exemple collé par sa périphérie au bord de l'extrémité d'une gaine, respectivement 20 et 21, protégeant la fibre correspondante, respectivement 6 et 7, sur la totalité de sa longueur et s'interrompant au niveau des faces d'extrémités de cette fibres ; la distance d séparant les faces des disques 10 et 11 en contact avec l'eau à épurer 2 définit le trajet optique, dans le milieu à étudier ici constitué par l'eau 2, d'une lumière émise par l'ensemble 8 via la fibre 6 et reçue par cet ensemble 8 via la fibre 7. Entre la cellule de mesure 5 et l'ensemble émetteur-récepteur 8, les fibres optiques 6 et 7 peuvent subir divers detours qui permettent de placer respectivement la cellule de mesure 5 et l'ensemble émetteur-récepteur 8 dans des positions relatives quelconques, ce qui permet de placer chacun de ces élé- ments indépendamment de l'autre dans la position la plus appropriée. Au niveau de l'ensemble émetteur-recepteur 8, chacune des fibres 6 et 7 présente une deuxieme extrémité, respectivement 22 et 23, analogue respectivement à l'extrémité 10 et à l'extrémité 11 et définie par une face transversale par rapport à l'axe de la fibre à ce niveau ; comme il est schématise à la figure 1, l'ensembvle emetteur-récepteur 8 comporte face à l'extrémité 22 de la fibre 6 une source lumineuse telle qu'une lampe 24 dont une cellule photosensible 25, telle qu'une photo-diode, un photo-transistor ou une photo-résistance, placée à proximite immédiate, traduit l'intensité lumineuse par un signal électrique de sortie représentatif de cette intensité ; de préférence, la lampe 24 émet une lumière polychromatique, avec -des longueurs d'ondes comprises par exemple entre 300 n met 1.500 n m, afin de réduire considérablement l'influence de la coloration éventuelle de l'eau 2 supportant les matières en suspension sur les mesures. Face à l'extrémité 23 de la fibre 7, l'ensemble émetteur-récepteur 8 comporte par ailleurs une cellule photo-sensible 26 du même type que la cellule 25, c'est-à-dire par exemple une photo-diode, un photo-transistor ou une photorésistance, qui traduit par un signal électrique de sortie l'intensité lumineuse qu elle reçoit de la lampe 24 par l'intermédiaire du système constitué par la fibre 6, l'eau 2 sur la distance d, et la fibre 7, c'est-à-dire une intensité lumineuse dont les variations traduisent une variation de la perturbation créée par les matieres en suspension placees sur le chemin optique, c'est-à-dire entre les disques 18 et 19 de protection des extrémités 10 et 11 des fibres 6 et 7 à intensité lumineuse remise par la lampe 24 constante. L'effet d'une éventuelle variation de l'intensité lumineuse emise par la lampe 24 est éliminé du fait que l'on compare à chaque instant les signaux de sortie instantanés respectifs des cellules 25 et 26, introduits dans un circuit de mesure Cm du tiroir électronique 9, qui établit le rapport des signaux fournis respectivement par chacune des cellules 25 et 26 et fournit un signal qui decroit de façon logarithmique lorsque la concentration des matieres en suspension augmente ; ce signal de sortie est linéarise, c'est- -dire traduit par un signal directement proportionnel à la concentration des matieres en suspension, et par consequent visualisant mieux le phénomène, par un module de linéarisation Cl essentiellement constitue d'amplificateurs logarithmiques, dont le signal de sortie est enregistré ou affiché par un module indicateur-enregistreur IE, l'ensemble forme par les modules Cm, Cl et IE constituant le tiroir électronique 9. Ce mode de mesure, par principe, compense très fortement les variations de la température ambiante à laquelle les photos détecteurs sont particulièrement sensibles. On notera que ce dispositif ne comporte aucune partie mécanique en mouvement, et peut donc être utilise pour des mesures continues, permanentes. Naturellement, le trajet optique d, c'est-à-dire le parcours qu'effectue la lumiere au sein du milieu à analyser, peut être adapté aux conditions d'utilisation et en particulier à la teneur en matières en suspension à mesurer pour de faibles teneurs, ce trajet peut être sensiblement plus long que pour de fortes teneurs. Dans l'exemple de la mesure en continu de la concentration des boues, on a obtenu de bons résultats avec une cellule immergée 5 dont le chemin optique était de 1,5 cm ; on a pu constater que le problème de l'encrassement était resolu si la vitesse de circulation du milieu restait suffisamment élevée, par exemple de l'ordre de 0*3 m/sec. au moins, ce qui était réalisé naturellement par les divers systèmes d'aération des bassins et impliquait une implantation judicieuse de la cellule dans ceux-ci ; du fait du choix de disques de protection 10 et 11 en verre possédant des propriétés anti-adhérentes limitant l'en- crassement, un nettoyage périodique, tous les huit jours dans les cas les plus défavorables,suffisait à l'entretien de la cellule de mesure. Neanmoins, un deflecteur est nécessaire pour protéger la cellule des grosses particules, lorsque la station d'épuration ne comporte pas de décanteur primaire, et des bulles d'air lorsque le bassin est aéré par le bas. De façon générale, la conception mécanique de la cellule de mesure permet soit son immersion dans un milieu agité, homogène, comme dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2, soit la circulation du produit à analyser. Dans le cas d'une implantation en bassin d'aération, les essais ont montré le fonctionnement satisfaisant d'un modele à circulation, faisant appel à une pompe immergée, protégée par une crépi ne nettoyée chaque semaine par exemple, pour véhiculer le milieu analysé suivant une direction perpendiculaire à l'axe optique de mesure. On a obtenu de bons résultats dans ces deux cas pour des concentrations en matières de suspension variant de O à 10 g/litre, ces chiffres étant donnés à titre d'exemple non limitatif, ce qui permet une application à la grande majorité des stations d'épuration ; un réglage électronique des paramètres de linearisation d'une part, du zero et du gain d'autre part, permettent l'adaptation au coup par coup à chaque station avec une gamme de mesures adaptee à la concentration maximale de boues prévisible. On a egalement obtenu de bons résultats en implantant une cellule de mesure telle que 5 sur le chenal de sortie des eaux épurées du bassin 1, pour chiffrer la pollution résiduelle, sous forme de matières en suspension, des eaux sortant de la station d'épuration en particulier pour vérifier le bon fonctionnement du décanteur ; on a utilisé à cet effet une cellule immergée dont le trajet optique d était de 2,5 cm, avec une plage de mesures de O à 0,5 g de matières en suspension par litre d'eau , ces chiffres étant donnes à titre d'exemple non limitatif. La figure 3 montre une variante d'une cellule de mesure plus parti culierement adaptée à l'étude d'un milieu circulant dans un tube, cette cellule pouvant se raccorder en remplacement de la cellule 5 illustrée aux figures 1 et 2 à l'ensemble émetteur-récepteur 8 lui-même raccordé au tiroir électronique 9. On a désigné par 27 une canalisation tubulaire, vehiculant par exemple du lait dans une installation de traitement, comme par exemple une installation de pasteurisation, de traitement à ultra-haute temperature, de stérilisation, d'évaporation, d'ultra-filtration, de conditionnement, etc.... On sait que de telles installations sont rincées à l'eau avant la mise en oeuvre du nettoyage et de la désinfection. Le dispositif selon l'invention est par exemple mis en oeuvre ici pour mesurer la dilution progressive du lait par l'eau lors du rinçage ou à l'inverse celle de l'eau par le lait lors de la mise en route du procédé. On a designe par 28 le milieu étudié, c'est-à-dire le liquide circulant dans la canalisation 27, en pratique constitué par du lait, ou de l'eau, ou un melange d'eau et de lait. Dans ce cas, les fibres optiques 6a et 7a, analogues respectivement aux fibres optiques 6 et 7, débouchent dans la paroi du tube 27 dans des positions diamétralement opposées de celui-ci, telles que l'axe optique de mesure 13a défini comme précédemment coïncide avec un diamètre du tube ; en outre, les extrémités des fibres 6a et 7a sont isolées du milieu à étudier 28 soit par un tube en verre 29 introduit dans la chambre de mesure,soit par des disques 18a et 19a, analogues respectivement aux disques 18 et 19, de telle sorte que la distance séparant leurs faces en regard soit égale ou approximativement égale au diametre du tube ici cylindrique, soit par exemple de l'ordre de 2,5 cm dans le cas d'une installation de traitement du lait. Dans ces conditions, on a obtenu une mesure sur un liquide 28 allant du lait entier à une dilution de 10 4, avec une meilleure sensibilité jusqu'à des dilutions de 10 3, avec toutefois la possibilité d'envisager deux réglages correspondant à chacune des zones extrêmes, à savoir lait très peu dilué et lait très dilué, avec commutation automatique selon la phase du procédé considérée. Naturellement, une cellule de mesure du type illustré à la figure 3, integrée à la paroi d'une canalisation dans laquelle circule un liquide encrassant soit par sa nature, soit par la nature du traitement qu'il subit au passage dans cette canalisation, peut être appliquée à d'autres domaines techniques. Par exemple, on sait que certains traitements, tels que les traitements thermiques ou de separation, appliques à des produits encrassants tels que le lait et ses dérivés, les jus de fruits, les solutions sucrées, etc..., provoquent la formation d'importants dépôts sur tout ou partie des surfaces d'echange, qu'il s'agisse d'echange de chaleur ou de matière ; les perturbations qui en résultent et des impératifs bactériologiques imposent aux utilisateurs des nettoyages reguliers des installations au moyen de detergents. Une cellule de mesure analogue à celle qui est illustrée à la figure 3 a eté mise au point afin de suivre l'enlèvement des dépôts par les détergents, lequel se traduit par l'apparition d'un trouble plus ou moins important de la solution de nettoyage selon la quantite initiale de dépôt et les conditions de ce nettoyage, c'est-à-dire les conditions de température, de débit, de concentration en detergents, etc.... Le capteur constitue alors un indicateur de fin de nettoyage, en déterminant l'instant ou le trouble a disparu lors de nettoyages en boucle ouverte, ou l'instant où le trouble est stable à sa valeur maximale lors d'un nettoyage en boucle fermée, le plus fréquent dans l'industrie agroalimentaire ; sous réserve d'un étalonnage adequat,-le capteur peut indiquer la vitesse du nettoyage. Naturellement, le domaine d'application du dispositif selon l'invention n'est pas limité aux exemples decrits ci-dessus, car des applications très nombreuses sont possibles, notamment aux procédé de séparation (filtration, centrifugation continue, ultra-filtration, évaporation, etc...), aux contrôles de qualite dans l'indsutrie des boissons et à diverses opérations de nettoyage et rinçage ; en fait, tous les procédés mettant en oeuvre des matières en suspension peuvent donner lieu à une application. Le dispositif peut alors faire l'objet, par rapport aux modes de réalisation décrits et représentés, de nombreuses variantes ne sortant pas de l'esprit de l'invention ; grâce à une électronique performante, il permet de réaliser la mesure de matières en suspension dans des conditions très différentes, et les solutionsmécaniques retenues au niveau de la cellule de mesures, en particulier le mode de circulation du fluide étudié et le chemin optique, peuvent s'adapter aux conditions particulières de chaque problème pour atteindre l'objectif désiré. REVENDICATIONS 1) Procédé d'évaluation quantitative des troubles et matières en suspension dans un fluide, par mesure d'une perte d'intensité lumineuse à travers le fluide, dans une zone de mesure, caractérisé en ce que l'on effectue cette mesure entre les extrémités, immergées dans la dite zone, de deux fibres optiques respectivement émettrice et réceptrice, et en ce que l'on provoquelauto-nettoyage des extrémités immergées des fibres par circulation continue du fluide troublé entre elles. 2) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens respectivement émetteurs et récepteurs de lumière, placés à distance de la zone de mesure, à l'extérieur du fluide, - deux fibres optiques dont chacune comporte une premiere extrémité en regard respectivement des moyens émetteurs et des moyens récepteurs, à l'extrieur du fluide, et une deuxième extrémité située dans la zone de mesure, a l'intérieur du fluide, en regard de la deuxième extrémité de l'autre fibre et à une distance prédéterminée de celle-ci, - des moyens pour établir une circulation de fluide entre les dites deuxièmes extrémités, dans la zone de mesure, - des moyens pour comparer l'intensité lumineuse émise à l'intensité lumineuse reçue à travers le système constitué par les deux fibres et le fluide dans la zone de mesure. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il compor- te une paroi transparente de protection de la deuxième extrémité de chaque fibre vis-à-vis du fluide. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, carac térise en ce que les moyens pour établir une circulation de fluide entre les deuxièmes extrémités respectives des fibres, dans la zone de mesure, comportent des moyens pour créer cette circulation perpendiculairement à l'axe optique de mesure défini par la direction commune des fibres à proximité immédiate des dites deuxièmes extrémités. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, le fluide circulant dans un tube, caractérisé en ce que la distance séparant les deuxièmes extrémités respectives des deux fibres est voisine du diamètre de circulation du fluide dans le tube. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, pour l'étude d'un fluide dans un bassin d'aeration, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens déflecteurs abritant la zone de mesure des bulles d'air et des grosses particules.