Brevet FR2460478A1 — publié le 19810123

L'invention a pour objet un diffusiomètre intégrateur tractable pour étudier notamment la turbidité des eaux, qu'elle ait pour origine des causes naturelles ou la pollution. Le coefficient de diffusion optique des eaux de mer dépend directement du poids des particules en suspension terrigènes ou biogènes. Ce paramètre est plus aisément mesurable que le poids; en outre, il est possible de le mesurer en continu. Par l'intermé diapre d'un diffusiomètre, on peut donc visualiser les structures fines de la répartition des particules en fonction de la profondeur ou dans le plan horizontal. Cette technique permet notamment d'étudier les dimensions des taches de phytoplancton et de repérer la forme des panaches à la sortie d'un émissaire en mer ; lesdites particules étant, par rapport àux mesures optiques, des anomalies d'indice par rapport au milieu. En dehors de l'étude optique du coefficient de diffusion, pour connaître le poids de seston (le seston représentant l'ensemble des particules en suspension y compris notamment le plancton et le tripton), il est possible de mesurer directement le poids de seston en filtrant l'eau. L'utilisation de filtres de l'ordre du micron, la grande quantité d'eau nécessaire, trente litres environ pour avoir à peine un milligramme de matière dans les eaux peu turbides, permet de comprendre facilement que cette méthode technique est peu fiable, coûteuse et que, bien entendu, elle ne permet pas de mesures en continu. Le signal lumineux enregistré par l'appareil selon l'invention est transformé en signal électrique qui, en fonction de différentes hypothèses, permet de connaître le poids de seston en convertissant le coefficient de diffusion de la lumière, en poids, le coefficient de diffusion étant proportionnel au rapport de l'énergie diffusée et de l'énergie directe. Les appareils actuels sont des transmissomètres. Ils présentent l'inconvénient majeur de mesurer une "transmission" qui dépend de la géométrie de l'appareil, du coefficient d'absorbtion et du coefficient de diffusion des eaux de mer ou des eaux douces. Un diffusiomètre actuel fonctionne selon le principe que le coefficient de diffusion entre 10 et 100 est proportionnel quel que soit le type d'eau au coefficient total de diffusion (pour tous les angles), qui est lui-même proportionnel au poids.En étudiant les graphiques des indicatrices de diffusion d'eau de mer, on constate que la majeure partie de la lumière diffusée, l'est vers l'avant. Ledit diffusiomètre actuel étudie bien la lumière- diffusée vers l'avant, mais suivant une fourchette d'angle trop large et d'une manière séquentielle, puisque pour mesurer le coefficient de diffusion, il y a un moteur électrique et un réducteur qui entrainent dans un mouvement de rotation, une série de cames qui escamotent ou interposent des élément optiques et ouvrent ou ferment des circuits électriques. En dehors du fait que ce diffusiomètre fonctionne par séquence, il est compliqué dans sa construction et son utilisation. Le diffusiomètre, selon l'invention, évite tous ces inconvénients. Il ne tient compte que de la diffusion et est donc représentatif de manière stricte, du poids de seston. Il est tractable et d'un coût peu élevé. Le diffusiomètre selon l'invention comporte des moyens op tiques et électroniques pour recueillir la lumière diffusée dans des directions voisines de la direction du pinceau direct émis par une source. La lumière diffusée est recueillie à des directions ou angles compris entre 20 et 60. De préférence, l'angle est de 40 en avant de la direction du pinceau direct émis par la source. Une source est placée derrière un diaphragme, lui-même situé dans le plan focal d'une première lentille qui comporte un diaphragme qui définit le diamètre du pinceau lumineux qui traverse le milieu diffusant, en l'occurrence l'eau, jusqu'à une seconde lentille. Entre les deux lentilles est disposé un troisième diaphragme qui est un élément de définition du volume diffusant. La lumière directe transmise par le milieu diffusant situé entre les deux lentilles, est arrêtée par un tube noir au fond duquel une fraction constante du flux direct est reçue par une première photodiode. Le flux diffusé est mesuré par une seconde photodiode située dans le plan focal de la seconde lentille, masquée partiellement par une pastille faisant office d'écran et par un quatrième diaphragme disposé devant ladite surface. Le diamètre de la pastille et le quatrième diaphragme ont pour fonction de définir les angles de diffusion minimum et maximum en tenant compte du fait que la diffusion, au voisinage de 40, est proportionnelle à la diffusion totale quelles que soient la nature et la répartition en taille des particules. Le volume diffusant est défini par le bord extérieur du tube, par le troisième diaphragme et par le diamètre du pinceau lumineux. Lesdites lentilles sont plan convexe, leur face plane est dans l'eau, pour éviter les variations de distance focale lorsque l'appareil est situé dans l'air ou dans l'eau. La source est choppée électroniquement (à environ 1000 HZ) pour éviter l'influence des dérives d'offset des amplificateurs et de la lumière du jour résiduelle. Ledit diffusiomètre comporte des moyens pour mesurer la température et la pression. Le diffusiomètre selon l'invention est composé de plusieurs caissons tel qu'un caisson électronique de réception et d'alimentation, un caisson optique de réception, un caisson optique source, un caisson électronique source, température et pression. Entre chaque caisson, est disposé un élément faisant office de flasque, sur lequel sont serrés le ou les caissons adjacents, l'étanchéité étant assurée par des joints toriques. Des moyens, faisant office d'entretoise, assurent la rigidité entre les deux caissons optiques et le parallélisme entre les lentilles. Un tube extérieur fixé sur lesdites flasques, d'une part, canalise l'eau vers le volume diffusant et d'autre part, fait office d'écran à la lumière du jour. La traction dudit diffusiomètre est assurée par un câble relié à une extrémité de l'étrier disposé au niveau du centre de gravité dans l'eau tandis qu'un poids est accroché à l'autre extrémité de l'étrier. Un second tube, additionnel, concentrique au premier, est placé en arrière du point de traction, de manière à assurer la stabilité dudit diffusiomètre Les dessins ci-joints donnés à titre d'exemple indicatif et non limitatif permettront aisément de comprendre l'invention; ils représentent un mode préféré selon l'invention. La figure 1 est une vue extérieure en perspective du diffu siomètre, avec son tube écran et son tube stabilisateur. La figure 2 est une vue en perspective du diffusiomètre sans son tube écran et sans son tube stabilisateur. La figure 3 est le schéma optique du diffusiomètre. La figure 4 est un schéma d'un tableau synoptique des différents organes du diffusiomètre. La partie optique du diffusiomètre est représentée schématiquement dans la figure 3. Une source S, de préférence une diode électroluminescente monochromatique, de préférence rouge, est disposée derrière un diaphragme D1 lui-même situé dans le plan focal F1 d'une première lentille L1. Ladite lentille L1 comporte un diaphragme D2 qui définit le diamètre du pinceau lumineux K qui traverse le milieu diffusant, en l'occurrence l'eau, jusqu'à une seconde lentille L2. Entre les deux lentilles L1 et L2 est disposé un troisième diaphragme D3 qui est un élément de définition du volume diffusant. La lumière directe 2 transmise par le milieu diffusant M situé entre les deux lentilles L1 et L2, est arrêtée par un tube noir 1 au fond duquel une fraction constante du flux direct est reçue par une première photodiode P1. Le flux diffusé 3 est mesuré par une seconde photodiode P2 située dans le plan focal F2 de la seconde lentille L2. La photodiode P2 est masquée partiellement par une pastille faisant office d'écran 4 et par un quatrième diaphragme D4 disposé devant ladite photodiode P2. Un filtre interférentiel 17 est disposé entre la première photodiode P1 et la pastille faisant office d'écran 4.Ledit filtre interférentiel 17 placé devant la photodiode P2 et centré sur la longueur d'onde d'émission de la source S, a pour objet d'éliminer la lumière du jour parasite pouvant éventuellement influer sur P2 malgrè le tube écran extérieur 12 et l'émission choppée. Le diamètre de la pastille 4 et le quatrième diaphragme D4 ont pour fonction de définir les angles de diffusion minimum et maximum en tenant compte du fait que la diffusion au voisinage de 40 est proportionnelle à la diffusion totale quelles que soient la nature et la répartition en taille des particules. Le volume diffusant est fixé par le bord extérieur 5 du tube noir 1, par le diaphragme D3 et par le diamètre du pinceau. Dans la figure 2, on voit que le -diffusiomètre est composé de plusieurs caissons - un caisson 6 électronique de réception et d'alimentation, - un caisson 7 optique de réception, - un caisson 8 optique source, - un caisson 9 électronique, source, température et pression. Entre chaque caisson est disposé un flasque 10 sur lequel sont fixés le ou les caissons adjacents. Entre les caissons optiques, avant et arrière, des entretoises 11 assurent la rigidité entre les deux caissons optiques 7 et 8 et le parallélisme entre les lentilles L1 et L2. Un tube extérieur 12, (voir la figure 1), fixé sur le flasque 10, canalise l'eau vers le volume diffusant et agit comme un écran à la lumière du jour. Un étrier 13 permet de relier le diffusiomètre au câble tracteur. Un tube additionnel 14 concentrique au tube 12 sert de stabilisateur. La sonde thermométrique est visible au niveau du caisson 9 en 15. La figure 4 permet de voir les relations entre les différents organes du diffusiomètre et où ils se trouvent l'un par rapport à l'autre et par rapport au milieu diffusant M. Ainsi, de gauche à droite, on a représenté les caissons arrière 6 et 7 avec les redresseurs R1 et R2, les amplificateurs A1 et A2, des courants délivrés par les photodiodes P1,P2, la partie optique D4,L2 D1,L1 y compris le milieu diffusant M, les caissons avant 8 contenant la source et le caisson 9 contenant l'alimentation 18 de la source S, l'ensemble de mesure de pression 19 avec prise d'eau et l'ensemble de mesure de température 20. Enfin un conduit ou connecteur 21 étanche, parallèle aux entretoises 11 permet de relier entre eux, électriquement, les caissons avant 8,9 et arrière 6,7. La mesure de la température de l'eau est effectuée par l'intermédiaire d'une thermistance linéaire; l'amplification est telle que les signaux varient linéairement avec la température, avec une sensibilité de 3mV par 1/1000 de degré. Tous les signaux sont remontés à la surface par un câble transmetteur 16 qui assure également l'alimentation électrique de l'ensemble. Le coefficient de diffusion est calculé à bord du bateau tracteur par simple rapport du signal diffusé (mesure) au signal direct (référence), corrigé d'un facteur d'étalonnage qui tient compte du volume diffusant et des rapports d'amplification des signaux. Les résultats et les tests de linéarité des signaux ont montré que le diffusiomètre permet d'effectuer des mesures en continu avec une grande précision, dans la gamme de poids 0-25 soit soit 0 - 20m 1 pour le coefficient de diffusion. Ainsi, sur les courbes obtenues, on note sur le signal diffusé, de larges fluctuations en surface qui correspondent à la présence de particules de faible indice de réfraction et de taille probablement voisine de 20 p . En profondeur, ces particules sont nettement moins abondantes, les fluctuations sont faibles. I1 y a lieu de noter que la variation du signal direct correspond à celle qui aurait été obtenue avec un transmissomètre actuel, par exemplede 20% entre 0 et 60 mètres de profon deur, alors que le coefficient de diffusion, lui, varie du simple au triple. REVENDICATIONS 1. Diffusiomètre intégrateur permettant des mesures en continu, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens optiques et électroniques pour recueillir la lumière diffusée dans des directions voisines ( 6' ) de la direction du pinceau direct émis par une source (S) et pour mesurer en continu le coefficient de diffusion -du milieu diffusant (M). 2. Diffusiomètre intégrateur, selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lumière diffusée (3) est recueillie à des directrices ou angles ( F ) compris entre 20 et 60 en avant de la direction du pinceau direct émis par la source (S). 3 Diffusiomètre intégrateur, selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que la lumière diffusée (3) est recueillie en avant de la direction du pinceau direct émis par la source (S) sous un angle ( 0W) de 40. 4. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1,2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une source (S) placée derrière un diaphragme (D1) lui-même situé dans le plan focal (F1) d'une première lentille (L1), ladite lentille (L1) comporte un diaphragme (D2) qui définit le diamètre du pinceau lumineux (K) qui traverse le milieu diffusant (M), jusqu'à une seconde lentille (L2) ; entre les deux lentilles (L1) et (L2) est disposé un troisième diaphragme (D3) qui est un élément de définition du volume diffusant (Çw) la lumière directe (2) transmise par le milieu diffusant (M) situé entre les deux lentilles (L1) et (L2) est arrêtée par un tube noir (1) au fond duquel une fraction constante du flux direct est reçue par une première photodiode (P1), seul le flux diffusé est mesuré par une seconde photodiode (P2) située dans le plan focal (F2) de la seconde lentille (L2). 5. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1,2,3 ou 4, caractérisé par le fait que seul le flux diffusé est mesuré, du fait que la photodiode (P2) est masquée partiellement par une pastille faisant office d'écran (4) et par un quatrième diaphragme disposé devant ladite photodiode (P2), la diamètre de ladite pastille (4) et le quatrième diaphragme (D4), ont pour fonction de définir l'angle de diffusion ( 6^). 6. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1,2,3,4 ou 5, caractérisé par le fait que le volume diffusant est défini par le bord extérieur (5) du tube (1) et par le diaphragme (D3) et le diamètre du pinceau. 7. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1,2,3,4,5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un filtre interférentiel (17) qui est disposé entre la première photodiode (P1) et la pastille faisant office d'écran (4). 8. Diffusiomètre intégrateur selon les revendications 1,2,3,4,5,6 ou 7, caractérisé par le fait que le diffusiomètre est composé d'un caisson électronique de réception et d'alimentation (6), un caisson optique de réception (7), un caisson optique (8) source, un caisson électronique (9), source, température et pression, un élément faisant office de flasque maintient les différents caissons entre eux tandis des joints toriques assurent l'étanchéité. 9. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 8, caractérisé par le fait que des moyens faisant office d'entretoises (11) assurent la rigidité entre les deux caissons optiques (7 et 8) et le parallélisme entre les lentilles (L1,L2). 10. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1, 8 ou 9, caractérisé par le fait qu'un tube extérieur (12) fixé sur les flasques (10), d'une part, canalise l'eau vers le volume diffusant et d'autre part, fait office d'écran à la lumière du jour. 11. Diffusiomètre intégrateur selon l'une quelconque des revendications 1,8,9 ou 10, caractérisé par le fait que le tube extérieur (12) comporte un tube additionnel (14)., concentrique audit tube (12), placé en arrière du point de traction de manière à faire office de stabilisateur.