Brevet FR2476839A1 — publié le 19810828

La présente invention est relative à un procédé de détermination du diamètre des particules en suspension dans un fluide. A la différence d'autres méthodes de détermina- tion,les méthodes optiques fondées sur l'étude de la lumière renvoyée par la particule ont l'avantage de ne pas perturber ou supprimer l'écoulement du fluide dans lequel les particules sont en suspension,et par conséquent de ne pas empêcher la détermina- tion simultanée de la vitesse de la particule. On pourrait tenter de déterminer les dimensions de particules de gros diamètres,plus de 100 micromètres par exem- ple,par application des lois de l'optique géométrique,en éclairant les particules par un faisceau de lumière blanche et en étudiant la lumière qui est renvoyée dans une direction perpendiculaire à la lumière incidente. On a pu montrer (cf l'article de J. Dave,Applied Optics, t.8, vol.l,l969, p.155-164)qu'une telle méthode ne serait pas satisfaisante pour les particules transparentes de diamètre inférieur à 100 micromètres et ne serait pas utilisable pour des particules opaques. Il était tentant d'utiliserdans le domaine o ces méthodes ne sont pas applicables,les rayonnements électromagné- tiques cohérents,tels qu'émis par un laser. Il était également tentant d'utiliser ces mêmes rayonnements cohérents quel que soit la taille des particulesafin de profiter des intensités lumineuses plus grandes et des autres avantages inhérents au rayonnement laser. Cependant, on se trouve confronté alors avec des problèmes tout à fait nouveaux pour la raison que la diffusion de tels rayonnements n'est pas en général régie par les lois de l'optique géométrique mais par celles de Lorenz-Mie,qui en sont différentes. Ces lois sont utilisables icien grosspour des particules dont le diamètre va de 0,5 à 200 micromàtres et au-delà (cfo Go Mie "Beitrage zur Optik trUber Medien"Annalen der Physik 1908, IV, Folge,Band 25). Si,par application des lois de Lorenz-Mie,on détermine par le calcul l'intensité du rayonnement diffusé dans différentes directions pour un rayonnement de nature donnée (longueur d'onde,polarisation) frappant une particule donnée,et si on porte le résultat de ces calculs sur un diagramme polaire centré sur la particuleon obtient une figure comportant un certain nombre de lobes,avec des minima accusés dans des directions privilégiées,la position et la taille des lobes variant avec le rayonnement incident et avec les caractéristiques de la particule, en particulier sa taille. On conçoit,en conséquence,qu'il soit théorique- ment possible,si le rayonnement ne varie pas et si la nature de la particule est constante,de déterminer la taille d'une particule à partir de l'intensité du rayonnement diffusé dans une direction fixée à l'avance. En pratique,on se heurte à certaines difficultés. L'une d'elles est que le déplacement des lobes du diagramme polaire évoqué plus haut en fonction de la dimension de la parti- cule fait que la relation entre l'intensité diffusée et le dia- mètre de la particule n'est pas bi-univoque:à une intensité donnée peuvent correspondre plusieurs valeurs du diamètre. Pour éliminer cette difficulté,on a proposé (F. Durst et H.Umhauer, rapport SFB 80/EM/81 Université de Karlsruhe,février 1976) d'utiliser de la lumière blanche. Les irrégularités des courbes exprimant,pour une longueur d'onde donnée, la relation entre l'intensité de lumière diffusée et le diamètre de la particulesont à des endroits différents pour des longueurs d'ondes différentes,et- par suite on peut espérer obtenir une relation biunivoque en utilisant de la lumière blanche,ce qui se vérifie en particulier lorsqu'on observe la lumière diffusée dans une direction perpen- diculaire au rayonnement incident. Ce procédé présente l'incon- vénient qu'il est impossible de focaliser avec précision la lumière blanche à une grande distance d'un système optique de focalisation;il est donc impossible d'étudier des courants de fluide de grande section ou à des températures élevées. On se heurte,de plus, à des problèmes de discrimination de la lumière parasite,en particulier celle émise par les particules elles- mômes sous l'influence de la température. Un tel procédé ne trouve donc d'application que dans des domaines assez limités, tels que des études biologiques. L'emploi d'une lumière monochromatique oblige à trouver d'autres méthodes pour résoudre le problème causé par l'existence de relations non biunivoques entre le diamètre de la particule et l'intensité diffusée. On se heurte en outre à un nouveau problème qui est le suivant:pour obtenir une intensité suffisanteon est obligé de recourir à un faisceau lasermais les émetteurs laser actuellement disponibles délivrent un faisceau lumineux o l'intensité de l'énergie-n'est pas homogène dans une section mais suit une loi gaussienne avec un maximum sur l'axe du faisceau. Diverses méthodes ont été proposées pour tenir compte de cette particularité ou même pour en tirer profitsoit en analy- sant la variation dans le temps de l'énergie diffusée par une parti- cule traversant le faisceau (cf E. Dan Hirleman,Optics Letters vol.3 n1l Juillet 1978,p.19-21)soit en comparant les intensités diffusées par la particule au même moment dans des directions fai- sant des angles différents avec l'axe du faisceau incident (cf C.C. Gravatt, Journal of the Air Pollution Control Association Vol.32 n'12 Décembre 1973,p.1035-10383 ou J. Raymond Hodkinson, Applied Optics vol5 N05,Mai l966,p.839-843). Les méthodes ainsi proposées conduisent à des appareillages compliqués. De plusla gamme de diamètres dans laquelle ces procédés sont utilisables est limitée. Il ressort des publications mentionnées ci-dessus et relatives à la comparaison des intensités diffusées dans des directions différentes que la largeur de la gamme o cette méthode 4 2476839 est exploitable est d'autant plus large qu'on est près de l'axe du faisceau incident. On est donc poussé à placer les capteurs près de-l'axe du rayonnement incident,ce qui pose des difficultés supplémentaires pour éviter l'influence perturbatrice de celui- ci. La présente invention a donc pour but de fournir un procédé de mesure de la dimension des particules dans une plage comprenant au moins les diamètres compris entre 0,5 et micromètres,et qui puisse être mise en oeuvre avec un appa- reillage simple et peu coOteux. Un autre but de l'invention est de fournir une telle méthode qui puisse en outre être facilement combinée avec une méthode de mesuré simultanée de la vitesse de la même particule. La présente invention fournit donc un procédé de détermination du diamètre d'une particule en suspension dans un fluide par utilisation d'un rayonnement électromagnétique cohérent, procédé dans lequel on envoie un faisceau sensiblement parallèle dudit rayonnement électromagnétique sur ladite particule,on collec- te le rayonnement diffusé par ladite particule et on définit le diamètre de celle-ci en utilisant le rapport entre l'énergie diffu- sée dans la dite direction et l'énergie du rayonnement incident, ce procédé présentant les particularités qu'on collecte le rayonnement diffusé dans une direction suffisamment écartée de celle de l'axe du faisceau incident pour que la relation entre l'énergie diffusée et le diamètre de la particule soit sensible- ment bi-univoque dans le domaine de tailles de particules considé- ré,et qu'on place sur le trajet du rayonnement incident,avant qu'il n'atteigne la particule,un système correcteur de faisceau calculé pour que la densité d'énergie du faisceau ayant traversé ledit système soit sensiblement constant sur toute la section du faisceau. La présente invention a pour point de départ la découverte que,de façon inattendue,lorsqu'on s'écorte suffisam- ment de l'axe du faisceau incidentla relation de l'énergie 24 76'839 diffusée au diamètre tend à devenir bi-univoque. L'angle auquel ce fait peut être considéré comme acquis avec une précision suffi- sante pour les besoins de la pratique dépend de la nature de la particuleipar exemple,un écart de 200 environ entre l'axe du rayon incident et celui du rayon diffusé qu'on étudie est suffisant en général si la particule estes une matière très opaque,alors que. si elle transparente il faut s'approcher de 90 . Le fait que la relation soit bi-univoque ne signifie pas nécessairement que les lobes du diagramme polaire auquel on a fait allusion plus haut aient disparu,ni qu'ils restent immobiles quand la taille de la particule varie. Il suffit en effet que la variation de l'énergie diffusée dans un déplace- ment des lobes soit, pour une variation donnée de la taille de la particule,inférieure à celle qui correspond à la variation d'ensem- ble de cette énergie qui,on le sait,augmente avec la taille de la particule. Il peut paraître étonnant qu'une telle constata- tion n'ait pas encore été faite alors que la théorie de Mie date de 1908. La cause en est peut- être dans le fait que cette théorie conduit à des calculs qui sont de plus en plus complexes à mesure que l'on s'écarte de la direction du faisceau incident surtout si la particule est grosse et peu transparente. Les chercheurs ont donc fait porter leurs études d'abord sur les petits angles; on a d'ailleurs constaté,comme il est dit plus haut,que si on utilise les rapports entre intensités diffuséesil est plus avantageux en théorie de ne pas prendre d'angles trop grands Ce n'est qu'avec l'aide des programmes de calcul mis au point par les inventeurs que l'investigation a pu atteindre les angles importants. Toutefois,le choix d'angles importants mettant à profit cette découverte ne permettrait pas à lui seul d'aboutir à un procédé exploitable s'il n'était pas combiné à des moyens pour assurer la constance de l'énergie à travers toute la section du faisceau incident. Il est en effet absurde de parler de relations bi-univoques entre l'énergie diffusée et la taille de la particule si cette énergie diffusée dépend de la distance de la particule à l'axe du faisceau,car une même énergie diffusée pourra correspondre à deux particules différentes,la plus grosse passant vers le bord du faisceau et la plus petite près de son axe. L'emploi d'un système correcteur pour assurer un éclairement uniforme est classique en optique traditionnellemais son application à un faisceau laserdans un appareil de détermina- tion de diamètre de particulesn'avait pas jusqi'ici,à la connaissance des inventeurs,été proposéetout au moins dans une telle application. La raison en est sans doute que le besoin n'en avait pas été ressenti et que d'autres méthodes,comme mentionnées plus haut,avaient été utilisées pour tenir compte de la structure particulière des faisceaux laser. La présente invention sera maintenant exposée plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation d'un appareil- lage pour la mise en oeuvre du procédé,illustré par la figure jointe qui en est un schéma d'ensemble. Le dispositif décrit permet la mesure simultanée de la vitesse et du diamètre des particules individuelles. Il comprend un émetteur laser 1 à argon capable d'émettre simultanément des radiations de deux longueurs d'ondes différentes. Une lame semitransparente 2 divise le faisceau en deux faisceaux partiels,et sur chaque faisceau partiel un fil- tre spécifique 3, 4 ne laisse passer qu'une longueur dbnde.On a ainsi, pour simplifier l'exposé,un faisceau "bleu" et un faisceau "vert". Un miroir 5 dévie l'un des faisceaux pour le diriger vers l'autre dans la zone de mesure &.Le faisceau bleu sert à la détermi- nation du diamètre. Il traverseavant d'atteindre la zone de mesure, un correcteur de faisceau désigné dans son ensemble par 7 et qui comprend un premier système afocal 8 qui produit un faisceau parallèle considérablement plus large que le faisceau entrant,un filtre correcteur 9 dont la densité d'absorbtion est plus forte au centre qu'à la périphérieet un second système afocal 10 qui ramène le diamètre du faisceau à une valeur convenable,voisine de celle du faisceau entrant. La raison de la présence des deux systèmes afocaux est simplement que la densité d'énergie du faisceau laser est telle que,si elle n'était réduite par élargis- sement du faisceau,le filtre correcteur 9 serait rapidement mis hors d'usage par échauffement. Les caractéristiques du système afocal 8 sont calculées pour que l'énergie absorbée par le filtre 7 soit dissipée sans élévation excessive de température. Les carac- téristiques du système afocal 10 sont fixées pour définir les dimensions de la zone de mesurequi doit être assez large pour permettre un comptage assez rapide mais assez étroit pour éliminer les comptages multiples. Un faisceau lasertel que sortant d'un tel disposi- tif,comprend une partie centrale o la densité de rayonnement est uniforme,et une partie périphérique o cette densité décroît rapidement en s'éloignant de l'axe. Cette partie périphérique peut être éliminée par un diaphragme approprié;il est également - possible de l'éliminer par voie électronique:en effet, l'intensité diffusée par une particule traversant un tel faisceau commence par croître à la tra wrsée de la partie périphérique,puis est constante pendant la traversée de la partie centrale,et décroît ensuite à la seconde traversée de la zone périphérique. Il est possible d'élimi- ner du comptage les particules qui émettent un signal dont la partie constante,o la dérivée du signal par rapport au temps est nulle,est inférieure à une valeur fixée à l'avance. On peut éliminer ainsi,également,les particules qui passeraient trop au bord de la zone centrale et qui donneraient ainsi des valeurs doOteusesune partie de leur surface restant en dehors de cette zone centrale. Le dispositif d'étude de la lumière diffuse est disposé avec son axe perpendiculaire au faisceau bleu incident. Il comprend un filtre 11 destiné à éliminer les lumières parasites, et en particulier celle du faisceau vert,et un photomultiplicateur 12 de type classique. Le faisceau vert est affecté à la mesure simulta- née de la vitesse de la particule dont on détermine le diamètre. La partie de l'appareillage correspondante fait appel à la méthode décrite dans l'article de John L. Angus et al. "Motion measurement by Laser Doppler techniques" dans Industrial and Engineering Chemistry vol. 69 N02 Février 1969 pages 8 et suivantes. Elle comprend un séparateur de faisceaux 13 qui produit deux faisceaux parallèles qui sont envoyés en direction de la zone de mesure 6 grace à une lentille 24. Un second photomultiplicateur est situé sur la bissectrice de l'angle formé par les deux faisceaux et précédé d'une lentille 16 et d'un filtre 17 pour élimi- ner les rayonnements ne correspondant pas au faisceau vert. Le photomultiplicateur est relié à un analyseur spectral 18 qui détermine la fréquence Doppler et l'élargissement de cette fréquence qui correspond aux fluctuations de cette vitesse. Les signaux du photomultiplicateur 12 sont envo- yés d'une part au photomultiplicateur 15,de façon à déclencher la mise en action de ce dernier lorsqu'une particule est présente dans la zone de mesure,et d'autre part à un circuit électronique 19 d'acquisition de donnéesrelatives aux amplitudes. Les signaux émis par l'analyseur 18 et par le circuit 19 sont envoyés au dispositif 20 d'enregistrement par une mime chaîne des données simultanées d'amplitude (ou diamètre)et de fréquence (ou vitesse). Un tel dispositif convient pour une très large gamme de dimensions de particules opaques ou transparentes. Dans le cas de particules transparentes,il est possible d'améliorer la précision sur la mesure des diamètres en faisant la mesure d'intensité diffusée sur deux longueurs d'ondes simultanémentet/ou en élargissant l'angle de collecte du rayonnement diffusé,de façon à réduire les irrégularités de la courbe de l'intensité en fonction du diamètre. Bien entendu, quoiqu'on ait ici parlé de diamètre, des particules non sphériques peuvent être étudiées.On détermine alors un diamètre apparent. REVENDICATIONS l.Procédé de détermination du diamètre d'une par- ticule en suspension dans un fluide par utilisation d'un rayonnement électromagnétique cohérent,procédé dans lequel on envoie un faisceau sensiblement parallèle dudit rayonnement électromagnétique sur ladite particule,on collecte le rayonnement diffusé par ladite particule et on définit le diamètre de la particule en utilisant le rapport entre l'énergie diffusée dans ladite direction et l'énergie du rayonnement incident,caractérisé en ce qu'on collecte le rayonnement diffusé dans une direction suffisamment écartée de celle de l'axe du faisceau incident pour que la relation entre l'énergie diffusée et le diamètre de la particule soit sensiblement bi-univoque dans le domaine de tailles des particules considéré, et en ce qu'on place sur le trajet du rayonnement incident,avant qu'il n'atteigne la particule,un système correcteur de faisceau calculé pour que la densité d'énergie du faisceau ayant traversé ledit système soit sensiblement constante sur toute la section du faisceau. 2. Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'on procède simultanément à la détermination de la vitesse de la même particule,par méthode Doppler,en utilisant un rayonne- ment issu de la même source. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le système correcteur comprend successivement un système afocal pour élargir le faisceau,un filtre correcteur et un système afocal pour réduire la section du faisceaux 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on élimine la partie périphérique non homo- gène du faisceau corrigé par voie électronique.