Brevet FR2466768A1 — publié le 19810410

La présente invention est relative à un procédé de détermination du diamètre de particules en suspension dans un fluide Il existe un certain nombre de méthodes pour détermine ner les dimensions de particules solides en suspension et dont le diamètre est compris à peu près entre 0,5 et 200 micromètres. On peut citer, par exemplesles mesures basées sur la variation de résistance électrique dans un passage étroit parcouru par un liquide quand une particule entraînée par celui-ci pénètre dans le passage, des méthodes par photographie ou par holographie. Ces méthodes sont généralement assez imprécises, notamment pour les particules de dimension inférieure à 20 micromètres, ou elles perturbent l'é- coulement du fluide de façon plus ou moins grave. Rappelons pour mémoire que les méthodes telles que 1' élutriation ou le tamisage sont fondées sur la transformation radicale ou la suppression de l'écoulement de fluide. Un des défauts les plus graves de toutes les méthodes existantes est qu'elles ne permettent pas la détermination simultanée des dimensions et de la vitesse d'une meme particule. Cette détermination présenterait cependant un grand intérêt pour l'étude et le contrôle de tous les systèmes évolutifs, où il y a réaction ou interaction entre le fluide et les particules. La présente invention a donc pour objet de fournir une méthode qui permette de déterminer avec une précision accrue les dimensions d'une particule, sans perturber de fa çon genante l'écoulement de fluide dans lequel cette particule est en suspension2 et qui, en outre, permette d'opérer simultanément, sur une même particule, la-détermination des dimensions et celle de la vitesse. La présente invention a pour point de départ l'obser- vation que, lorsqu'une particule est frappée par un rayonnement électromagnétique cohérent, par exemple un rayonnement laser, les charges électriques de la matière de la particule, au moins dans les couches superficielles frappées par le rayonnement, oscillent sous l'effet de ce dernier et se comportent alors comme des émetteurs. Il se forme, entre les rayonnements émis par ces charges, un système complexe d'interférences, si bien que l'intensité du rayonnement reçu par un capteur dirigé vers la particule est une fonction de la position de ce capteur par rapport à la direction du rayonnement incident. Si on représente la répartition spatiale du rayonnement résultant sous la forme d'une surface formée de points dont la distance à la particule est proportionnelle à l,ener- de ces points, gie airrueee dans la direction de chacuweelle surIace comporte un certain nombre de lobes dont la forme etle nombre dépendent des paramètres du rayonnement incident et de la particule. Parmi ces paramètres, on peut citer la longueur d'onde et la polarisation du rayonnement incident ainsi que la forme et la taille de la particule, et la matière dont elle est formée. L'expérience, comme le calcul, montre qu'il existe des différences très accusées dans le rayonnement résultant re çu par un capteur dirigé vers la particule lorsquton fait varier la position angulaire de ce capteur par rapport au rayonnement incident, ou bien quand on fait varier un des paramètres indiqués ci-dessus. La présente invention tire parti de ces observations, et fournit donc un procédé de détermination du diamètre d'une particule en suspension dans un fluide, dans lequel on envoie un rayonnement électromagnétique cohérent sur ladite particule et on collecte le rayonnement diffusé par celleci dans un petit angle solide, procédé dans lequel on focalise un faisceau dudit rayonnement, au voisinage de la particule, on mesure le rapport entre les intensités de rayonnement collecté obtenues pour moins deux valeurs des auau au es paramètres du rayonnement incident et/ou/moins deux positions de l'angle solide dans lequel on collecte le rayonnement diffusé par la particule, et on déduit de ce rapport ou de ces rapports,le diamètre de la particule. Le terme diamètre ne slapplique,au sens propre, qu'à des particules sphériques. Si ce n'est page cas,on pourra déterminer un diamètre apparent,qu'on pourra éventuellement étalonner par comparaison avec des déterminations obtenues par d'autres mXthodes,optiques par exemple. L'invention sera exposée plus en détail en s'aidant des figures,parmi lesquelles: Fig.l montre la forme d'une coupe de la surface représentant la répartition du rayonnement diffusé pour une particule de diamètre D1,les deux moitiés de la figure correspondant à deux longueurs d'ondes différentes. Fig.2 montre la forme de la coupe de la même surface pour des particules de diamètres respectifs D1 et D2,pour la même longueur d'onde. Fig.3 est un diagramme des rapports R1, R2 d'intensité du rayonnement diffusé en fonction du diamètre D. Fig.4 montre un schéma d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Les courbes des figures 1 et 2 montrent que l'intensité du rayonnement diffusé présente des variations très importantes avec la direction,les maxima pouvant être 30 fois, et même plus,supérieurs aux minima.0n a obtenu des courbes du même genre en considérant. la polarisation de la lumière diffusée et le déphasage et les polarisations perpendiculaires de celle-ci. Ces courbes sont relatives à des billes de verre. Pour des substances différentes,on obtient des courbes différentes. Si l'intensité de la lumière incidente varie, la forme de la courbe ne varie pas. La détermination de ces courbes permettrait de connaître avec précision tous les paramètres optiques de la particule,mais il est clair qu'une telle détermination exigerait un appareillage compliqué. Pour les besoins industriels,la nature des particules peut être connue par d'autres moyens,et les paramètres qu'on cherche à connaitre se réduisent,dans de nombreux cas, à un seul,à savoir la dimension. I1 n'en reste pas moins vrai que la méthode selon l'invention peut être appliquée à d'autres déterminations,par exemple dans le cas où dans un mélange de particules de nature différente et de même dimension ou de dimension différente on cherche à discriminer celles-ci. Si l'on ne cherche à connaître qu'un paramètre, par exemple la dimension d'une particule,il suffirait,en théorie,de connaitre le flux d'énergie frappant une surface collectrice placée dans une direction choisie à l'avance, tous les autres paramètres étant connus et invariant la direction et la surface collectrice devraient bien entendu, être choisis selon certains critères,qu'on ne précisera pas ici. Dans l'état de la technique actuelle,il est-impossible de garantir la constance du rayonnement incident avec une précision suffisante. La détermination directe de ce rayonnement incident se heurte à des difficultés qui proviennent en particulier de l'indétermination de la position de la particule par rapport au faisceau. On préfère s'en affranchir en procédant à deux mesures du rayonnement diffusé dans deux directions,et en calculant leur rapport. Un autre problème à résoudre provient-des indéterminations. La figure 3 montre les variations en fonction du diamètre D des particules du rapport R1 des rayonnements diffusés dans deux directions faisant avec le rayonnement incident des angles de 3 et 12 degrés (courbe en trait plein). On voit qu'à une valeur du rapport R1 correspondent plusieurs valeurs de D,mais la courbe en tirets,qui correspond au rappDrt R2 correspondant aux angles 6 et 120 permet de lever l'indétermination: si R1 15 , R2 = 1,7 on en déduit D =2,9micromètres. Bien entendu,si D est compris entre des limites assez étroites et connues à l'avance,un seul rapport. pourra etre suffisant.-Dans d'autres cas, plus de deux rapports pourront s'avérer nécessaires. Bien entendu,- les divers rapports utilisés peuvent correspondre non pas à des orientations différentes ,mais à des longueurs d'onde différentes,toutes les combinaisons de paramètres étant possibles. Un des avantages les plus marquants du procédé selon l'invention est qu'il permet la mesure simultanée de la dimension d'une particule et de la vitesse de la même particule par méthode Doppler. Rappelons que dans une telle méthode on produit deux faisceaux parallèles de lumière cohérente à partir d'un même faisceau laser,on focalise lesdits faisceaux dans la zone du fluide à mesurer,et on analyse la lumière diffusée par la particule dans un même angle solide,en réponse à la lumière reçue des deux faisceaux . Une telle méthode est décrite dans l'article de John C. Angus et al: " Motion Measurement by Laser Doppler Techniques" dans Indus trial and Engineering Chemistry vol.61 n02,Février 196.9 page 8 et suivantes. On rappelle dans cet article que la lumière diffu- sée est modulée à une fréquence f donnée par f = Z où Uz est la vitesse de la particule dans la direction perpendiculaire aux franges d'interférence formées par la convergence de deux faisceaux laser, et i est la valeur de l'interfrange. On le voit,le procédé de détermination des dimensions selon l'invention fait appel à la comparaison des énergies diffusées dans une ou plusieurs directions différentes de la direction du rayonnement incident, alors que le procédé de détermination des vitesses fait appel aux interférences qui apparaissent par suite de la convergence des deux faisceaux incidents.La mesure de la vitesse d'une particule déterminée est donc compatible avec la mesure simultanée de son diamètre. On va maintenant décrire,à titre d'exemple non limitatif, un dispositif permettant la détermination de la dimension de particules selon le procédé de l'invention, simultanément avec la détermination de sa vitesse. L'appareil comprend un laser 1 à argon ionisé,qui émet sur plusieurs longueurs d'onde #1 , #2 , #3,un faisceau 2 de lumière paralldle,en direction de la particule 3. La lumière diffusée par celle-ci est captée dans trois directions correspondant à trois faisceaux 4, 5, 6 qui font avec le faisceau 2 des angles Gl, 92, 93 respectivement de 30, 60 et 12 . La lumière diffusée dans la direction 4 est reçue sur un photomultiplicateur 7, sensible à la longueur d'onde A 1 ,précédé d'une lentille 8 et d'un diaphragme 9.Sur le faisceau 5 il est prévu,outre une lentille 10 et un diaphragme ll,un séparateur de faisceaux 12 et deux photomultiplicateurs 13,14 sensibles i'un à la longueur d'ande l,l'autre à la longueur d'onde 2' 2 La lumière du faisceau 6 est reçue par un ensemble formé d'un photomultiplicateur 15,d'une lentille 16 et d'un diaphragme 17. Un système automatique d'acquisition et de traitement de données 18 relié aux photomultiplicateurs est capable d'établir des rapports R1, R2, R3 entre les énergies lumineuses reçues au même instant par les photomultiplicateurs 7, 13, 14 et 15. La partie de 1? appareilla- ge qu'on vient de décrire correspond à la seule détermination de dimension de la particule et serait donc suffisante pour celle-ci.Les adjonctions à cette partie pour permettre la mesure simultanée de la vitesse comprennent un séparateur de faisceaux 19,qui produit , à partir du faisceau 2 un second faisceau parallèle 20,les deux faisceaux, grâce à une lentille 2l,sont envoyés en direction de la particule 3,un photomultiplicateur 22 situé sur la bissectrice de l'angle formé par ces deux faisceaux et précédé d'une lentille 23 et d'un diaphragme 24. Le photomultiplicateur 22 est relié à un analyseur spectral 25,qui détermine la fréquence Doppler et l'élargis- sement de cette fréquence qui correspond aux fluctuations de la vitesse. I1 est possible de faire les déterminations de diamètre en utilisant simultanément la lumière diffusée par les deux faisceaux,mais par raison de simplicité, on a préféré utiliser une longueur d'onde différente,la longueur d'onde X 3,pour la détermination de vitesse:on a prévu sur le trajet du faisceau incident 20 un filtre 26 qui ne laisse passer que cette longueur d'onde N et, avant le photomultiplicateur 22,un filtre 27 qui arrête les fréquences correspondant aux autres longueurs d'onde émises par le laser. Les valeurs des paramètres du montage peuvent etre choisies librement. Les valeurs optimales dépendent notamment de l'indice de la particule. Celles qui ont été retenues, l'ont été par un calcul effectué en application de la théorie de Lorenz - Mie (cf. G. Mie,7'Beitrage zur Optik trüber Medien", Annalen der Physik, 1908, IV Folge, Band 25, et G. Grehan G. Gouesbet, "New Progress on Mie-theory caîculation : new progress with emphasis on particle sizing" Applied 0pics 15/9/79). Une fois les paramètres du montage choisis, on établit les courbes théoriques, on donne les rapports R1, R2, R3 en fonction du diamètre de la particule. La comparaison des valeurs mesurées de ces rapports avec ces courbes permet d'en déduire les diamètres. Une vérification expérimentale de ces courbes théoriques permet d'affiner la mesure pour tenir compte de la nature réelle de la particule. REVENDICATIONS l.Procédé de détermination du diamètre d'une particule en suspensioo dans un fluide,dans lequel on envoie un rayonnement électromagnétique cohérent sur ladite particule et on collecte le rayonnement diffusé par celle-ci dans une direction donnée,caractérisé en ce qu'on focalise un faisceau dudit rayonnement au voisinage de la particule, on mesure le rapport entre les énergies collectées obtenues pour au moins deux valeurs des paramètres du rayonnement incident ou au moins deux des directions dans lesquelles on collecte le rayonnement diffusé par la particule,et on déduit de ce rapport,ou de ces rapports,le diamètre de la particule. 2. Procédé selon la revendication l,caractérisé en ce quten même temps qu'on détermine le diamètre de la particule,on mesure sa vitesse par procédé Doppler,en utilisant le rayonnement électromagnétique émis par la même source. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la source émet un rayonnement sur plusieurs fréquences,qu > un diviseur de faisceau est placé sur le trajet d'un faisceau diffusé pour envoyer celui-ci sur des capteurs sensibles à des fréquences différentes,et qu'un dispositif de calcul évalue le rapport entre les énergies reçues par ces capteurs. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,et comprenant une source laser et un capteur sensible à son rayonnement,caractérisé en ce qu' il est prévu au moins deux capteurs dirigés pour capter les faisceaux diffusés faisant des angles différents,fixés à l'avance,avec la direction du faisceau incident,et qu'un dispositif de calcul évalue le rapport entre les énergies reçues par les capteurs. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4 et destiné à la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un séparateur de faisceau dédoublant'le faisceau incident en un premier et un second faisceau,un système permettant de focaliser ces deux faisceaux au voisinage de la particule, un capteur sensible à la fréquence Doppler produite par le battement de la lumière diffusée à partir de la charge du faisceau,et un analyseur spectral capable de déterminer ladite fréquence Doppler.