Brevet FR2453399A1 — publié le 19801031

La présente invention concerne un capteur optique-pour la mesure des concentrations. L'invention a pour but de réaliser un capteur permettant de mesurer la concentration locale et instantanée d'un gaz, d'un brouillard ou d'un liquide dans un milieu quelconque, et ceci a des pressions et températures fixes ou variables. L'invention a notamment pourvut de réaliser un capteur optique sans dérive thermique utilisable par exemple pour mesurer la concentration locale en combustible dans une chambre de combustion de moteur Diesel ou de moteur à allumage-commandé. Un capteur optique suivant l'invention est caractérisé en oe qu'il comprend un corps rigide monobloc sur lequel sont- fixés : une source de rayonnement i une sonde dont ltextrémité-ae-tive est en- contact avec le milieu å étudier ; au moins un détecteur photosensible en liaison avec un dispositif -8lectroalque- de mesure. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, le corps renferme en outre un condenseur optique placé en regard de la source de rayonnement. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, la source de rayonnement est constituée par un filament incandescent. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, les détecteurs photosensibles -sont disposés à proximité les uns des autres dans le corps, qui comporte un circuit interne dans lequel circule un fluide de refroidissement. Suivant une caractéristique supplémentaire. de l'invention, le capteur optique comprend d'une part un détecteur photosensible qui récupère le rayonnement affaibli par la traversée du milieu à étudier, et d'autre part un détecteur photosensible qui reçoit le rayonnement capté directement à la source de rayonnement. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, la sonde comprend un fourreau allongé à l'intérieur duquel sont disposés côte à côte deux guides de rayonnement, les deux guides de rayonnement s'étendant au-delà de l'extrémitet Libre du fourreau pour se terminer chacun par une facette réfléchissante inclinée à 450 par rapport au grand axe de la sonde. Les extrémités libres dés deux guides de rayonnement en- contact avec le milieu à étudier peuvent être recouvertes d'un dépôt métallique ou autre, exclusion faite des deux facettes perpendiculaires à la direction du rayonnement traversant le milieu à étudier. On évite de la sorte l'entrée de rayonnements parasites dans les guides de rayonnement. Suivant une caractéristique supplémentaire de i'invention, l'un des deux guides de rayonnement de la sonde comporte, à l'intérieur du corps du capteur, une facette transversale d'extrémité située face à un détecteur photosensible, l'autre guide de rayonnement de la sonde comportant, à l'intérieur du corps de sonde, une facette transversale d'extrémité inclinée à 450 par rapport au grand axe de la sonde pour réfléchir les rayons issus de la source, tandis que le corps renferme par ailleurs un guide de rayonnement interne comportant une facette d'extrémité inclinée à 450 captant les rayons issus de la source, et une facette transversale d'extrémité située face à un autre détecteur photosensible. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, les guides de rayonnement- sont constitués par des barreaux de saphir ou d'un tout autre matériau optique transparent pour la longueur d'onde-du rayonnement utilisé, et sont entourés par des enveloppes tubulaires susceptibles de renfermer un fluide de refroidissement. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, un obtus rateur est susceptible d'être placé en aval de la source de rayonnement,ct obturateur étant utilisé pour déterminer le courant d'obscurité. Suivant une caractéristique-supplémentaire de l'invention, un filtre optique est disposé entre le détecteur photosensible qui récupère le rayonnement affaibli par la traversée du milieu à étudier et le guide de rayonnement correspondant, ce filtre permettant de ne pas prendre en compte les émissions dé rayonnement ou les absorptions de rayonnèment- par des corps parasites. Suivant une caractéristique supplémentaire de l'invention, le dispositif électronique de mesure comprend un système d'amplification et un circuit comparateur qui compare les signaux provenant d'une part du détecteur qui reçoit le rayonnement affaibli par la traversée du milieu à étudier, et d'autre part du détecteur qui reçoit le rayonnement provenant directement de la source. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, permettra de mieux comprendre les caractéristiques de l'invention. La figure unique est une vue schématique d'un capteur optique suivant l'invention. Le capteur optique suivant l'invention comprend un corps rigide monobloc i comportant différents trous taraudés pour la fixation : d'une sonde de rayonnement 2, d'une source de rayonnement 3, d'un condenseur optique 4 et de deux détecteurs photosensibles 5 et 6. Le corps i, qui est métallique, comporte un circuit interne 7 à l'intérieur duquel circule un fluide de refroidissement. Les canaux du circuit 7 sont disposés autour des détecteurs photosensibles 5 et 6, qui sont eux-memes placés côte à c8- te. La source de rayonnement 3 est constituée par un filament incandescent 8 produisant des rayons infrarouges. Le faisceau de rayons 9 traverse le condenseur 4 qui comprend deux lentilles mobiles l'une par rapport à l'autre. Un obturateur amovible 21 peut être placé en aval de la source infrarouge 3, cet obturateur étant utilisé pour déterminer le courant d'obscurité. La sonde 2 comprend un fourreau allongé 10 dans lequel sont prévus deux trous longitudinaux recevant chacun un guide de rayonnement 11 ou 12 entouré par une enveloppe qui peut renfermer un liquide ou un gaz de refroidissement, et gui est brasée sur le fourreau 10. La brasure, qui assure simultanément les fonctions d'étanchéité et de positionnement, peut éventuellement être remplacée par un simple collage. Compte tenu du rayonnement infrarouge, les guides de rayonnement sont constitués de préférence par des barreaux de saphir. La sonde 2 s'étend perpendiculairement à la direction des rayons issus de la source 3. L'extrémité du guides de rayonnement 11 située à l'intérieur du corps 1 comporte une facette réfléchissante inclinée à 450 par rapport au grand axe du guide de rayonnement. Cette extrémité capte le rayonnement en aval du condenseur 4 pour les diriger le long du guide de rayonnement 11. Les deux guides de rayonnement il et 12 s'étendent au-delà de l'extrémité libre du fourreau pour se terminer chacun par une facette inclinée à 450, le rayonnement issu du guide de rayonnement Il et réfléchi par ces deux autres facettes s'écoulant ainsi dans le guide de rayonnement 12 après avoir traversé un volume de mesure 13 situé à l'intérieur d'une cavité 14.Ce volume de mesure peut être un cube d'environ 2 millimètres de longueur d'arête. Le corps 1 renferme par ailleurs un guide de rayonnement interne 15 parallèle aux guides de rayonnement 11 et 12, et qui comporte à une extrémité une facette inclinée à 450 pour capter une partie du rayonnement issu du condenseur 4. Les détecteurs photosensibles 5 et 6 sont placés en regard de facettes transversales prévues respectivement sur les guides de rayonnement 12 et 15. On peut prévoir un filtre interférentiel ou autre 16 entre le guide de rayonnement 12 et le détecteur photosensible 5. Ce filtre permet de sélectionner le rayonnement venant exciter-le détecteur photosensible 5, de façon que les émissions ou les absorptions de corps parasites ne soient pas prises en compte au cours des mesures. Les signaux émis par les détecteurs photosensibles 5 et 6 sont amplifiés par des amplificateurs 17 et 18 et se retranchent l'un de l'autre dans un circuit 19, le signal obtenu étant encore amplifié par un amplificateur 20. Le fonctionnement est le suivant Le rayonnement capte par le détecteur photosensible 5 est plus ou moins affaibli en fonction du pourcentage de rayonnement absorbé au niveau du volume de mesure 13, c'est-à-dire en fonction de la concentration de l'espèce étudiée dans la cavité 14. En effet, du fait de leur structure électronique, les corps présentent des bandes d'absorption à diverses longueurs d'onde. Pans ces bandes, l'absorption du rayonnement incident est proportionnelle à la masse de corps présente sur le trajet optique. Ainsi, en particulier, les hydrocarbures utilisés comme carburants ou combustibles présentent, du fait de la liaison C-H, une bande d'absorption voisine de 3,3 micromètres, ce qui correspond à la longueur d'onde d'un rayonnement infrarouge. En retranchant l'un de l'autre les signaux émis par les deux détecteurs photosensibles, on améliore considérablement la qualité des mesures, pour les raisons suivantes - Si la source de rayonnement 3 manque de stabilité, les fluctuations du rayonnement se'trouvent automatiquement annulées. - Les dérives thermiques des détecteurs photosensibles 5 et 6 se retranchent l'une de l'autre, ce qui évite un décalage du zéro pendant les mesures. Le signal de mesure compensé recueilli à la sortie du circuit 19 présente donc une dérive nulle. Pans le cas particulier des mesures effectuées à l'aide de rayonnements infrarouges, le filament 8 st un filament de tungstène dans lequel on fait débiter un courant. De manière à connattre le bruit de fond du signal de mesure, il est possible de moduler le signel de la source. Dans ce cas, le signal de mesure passe par un détecteur synchrone. Dans tous les cas, compte tenu des bas niveaux de réception, on utilise des amplificateurs à faible bruit. La sonde 2, dont le diamètre extérieur ne dupasse pas 10 milliiè- tres, peut facilement être introduite au sein du milieu à tester. On peut par exemple l'introduire facilement dans la chambre de combustion d'un moteur ou dans un brûleur, pour la mesure des concentrations instantanées et locales de combustible. Sur un moteur à allumage commandé, la sonde 2 peut être mise à la place de la bougie d'allumage, et le capteur peut apporter des renseignement6 précieux pour résoudre le problème des irrégularités cycliques.En outre, on sait que la concentration locale en combustible est, tant en combustion Diesel qu'en moteur à allumage commandé, un paramètre fondamental agissant sur la consommation et les émissions de polluants. Bien entendu, le capteur optique suivant l'invention peut mesurer des concentrations de produits autres que les hydrocarbures. il suffit pour cela de choisir un filtre interférentiel 16 correspondant à une bande d'absorption du produit à mesurer. Le capteur optique suivant l'invention présente notamment les avantages suivants - Le refroidissement des détecteurs photosensibles par circulation d'un fluide de refroidissement dans le corps du capteur permet une réduction du bruit de fond. - En plaçant les deux détecteurs photosensibles dans le même corps monobloc, on alumine la dérive thermique de leur courant d'obscurité. - L'utilisation d'un filtre interférentiel ou autre permet de detec- ter le rayonnement sur une bande étroite de longueur d'onde, et d'éliminer ainsi le rayonnement parasite émis en spectre large par les gaz chauds. Enfin, on ne sortirait pas du domaine de l'invention en réalisant chaque guide de rayonnement sous la forme de plusieurs barreaux en saphir ou en un tout autre matériau conducteur de rayonnement, et en utilisant parallèlement - davantage de détecteurs photosensibles. On ne sortirait pas du domaine de l'invention si la source de rayonnement n'était pas fixée sur le corps 1, la transmission du rayonnement entre la source 8 et les barreaux 11 et 15 s'effectuant alors au moyen de guides de rayonnement rigides ou souples. REVENDICATIONS 1. Capteur optique caractérisé en ce qu'il comprend un corps rigide monobloc qui est en liaison avec une source de rayonnement, et sur lequel sont fixés une sonde dont l'extrémité active est en contact avec le milieu à étudier et au moins un détecteur photosensible en liaison avec un dispositif électronique de mesure. 2. Capteur optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps rigide est métallique, tandis que la source de rayonnement est fixée sur ce corps. 3. Capteur optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la transmission du rayonnement à partir de la source de rayonnement jusqu'au corps rigide est assurée au moyen de guides de rayonnement rigides ou souples, la source de rayonnement n'étant pas fixée sur le corps rigide. 4. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce que la source de rayonnement est constituée par un filament incandescent, un condenseur optique étant placé à -l'avant- de ce filament. 5. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les détecteurs photosensibles sont disposés à proximité les uns des autres dans le corps, qui comporte un circuit interne dans lequel circule un fluide de refroidissement. 6. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un détecteur photosensible qui récupère le rayonnement affaibli par la traversée du milieu à étudier, et d'autre part un détecteur photosensible qui reçoit le rayonnement capté directement à la source de rayonnement. 7. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonde comprend un fourreau allongé à l'intérieur duquel sont disposés côte à côte deux guides de rayonnement, les deux guides de rayonnement s'étendant au-delà de l'extrémité libre du fourreau pour se terminer chacun par une facette réfléchissante inclinée à 450 par rapport au grand axe de la sonde. 8. Capteur optique suivant les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'un des deux guides de rayonnement de la sonde comporte, à l'intérieur du corps du capteur, une facette transversale d'extrémité située face à un détecteur photosensible, l'autre guide de rayonnement de la sonie comportant, à l'intérieur du corps de sonde, une facette transversale d'extrémité inclinée à 450 par rapport au grand axe de la sonde pour réfléchir les rayons issus de la sonde et les diriger à l'intérieur de ce guide de rayonnement, tandis que le corps renferme par ailleurs un guide de rayonnement interne comportant une facette d'extrémité inclinée à 450 captant les rayons issus de la source, et une facette transversale d'extrémité située face à un autre détecteur photosensible. 9. Capteur optique suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif électronique de mesure comprend un système d'amplification et un circuit comparateur qui compare les signaux provenant d'uns part du détecteur qui reçoit le rayonnement affaibli par la traversée du milieu à étudier, et d'autre part-un détecteur qui reçoit le rayonnement provenant directement de la source. 10. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les guides de rayonnement sont constituée par des barreaux de saphir ou d'un tout autre matériau optique transparent pour la longueur d'onde du rayonnement utilisé, et sont entourés-par des enveloppes tubulaires susceptibles de renfermer un fluide de refroidissement. 11. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'un filtre optique est disposé entre le détecteur photosensible qui récupère le rayonnement affaibli par la traversée du mi liens étudier et le guide de rayonnement correspondant, ce filtre permettant de ne pas prendre en compte les émissions de rayonnement ou les absorptions de rayonnementpar des corps parasites.