Brevet FR2478815A1 — publié le 19810925

Procédé et apareil d'évaluation de la visibilité. La présente invention est relative à des procédé et appareil pour éva- luer la visibilité, et en particulier à des procédé et appareil pour dé- terminer l'effet de particules dans un fluide sur la visibilité à tra- vers celui-ci. Les procédés et appareils connus pour évaluer la visibilité dans un fluide nécessitent généralement l'utilisation d'un faisceau de lumière qui traverse le fluide, fréquemment l'atmosphère, entre une source lu- mineuse et des moyens pour détecter l'intensité de la lumière. Dans le genre d'appareil connu sous le nom de transmissiomètre, les moyens de détection sont disposés à une certaine distance de la source lumineuse, par exemple plusieurs dizaines de mètres, pour recevoir la lumière di- rectement de celle-ci, et la visibilité est calculée, suivant une loi connue, à partir du coefficient de transmission du fluide tel qu'indi- qué par le rapport de l'intensité lumineuse détectée à l'intensité lu- mineuse émise. Ce type d'équipement exige une base opératoire sans obs- tacles considérable et la distance de visibilité mesurable est quelque peu restreinte pour une base de longueur donnée. En outre, l'équipement est sujet à des variations de l'intensité inhérente de la source lumi- neuse, qui en pratique peuvent être importantes, en raison par exemple d'un obscurcissement interne de la source lumineuse. Dans un autre genre d'appareil, connu sous le nom de diffusiomètre, les moyens de détection reçoivent la lumière non pas directement de la sour- ce lumineuse, mais après diffusion sur des particules (telles que de la fumée ou de la vapeur d'eau dans le cas de l'atmosphère) qui sont en suspension dans le fluide et réduisent la visibilité au travers. A cet effet, les moyens de détection sont agencés pour recevoir la lumiè- re dans une direction faisant un angle prédéterminé avec la direction de la lumière incidente sur les particules. Dans le cas d'altimètres de nuages, cet angle est habituellement de 180 . Dans d'autres types de diffusiomètres, il peut aller de quelques dizaines de degrés à 1800. Comme pour les transmissiomètres, ce type d'appareil est sujet à des variations de l'intensité de la source lumineuse. 24 7 8 8 1 5 Suivant un aspect de l'invention, il est prévu un procédé pour évaluer l'effet de particules dans un fluide sur la visibilité à travers celui- ci, dans lequel la lumière traverse ledit fluide entre une source de lumière et des moyens de détection de l'intensité lumineuse, caractéri- sé en ce qu'on compare l'intensité de la lumière propagée partiellement par diffusion sur lesdites particules avec l'intensité de la lumière propagée principalement par transmission directe à travers ledit flui- de. Une telle méthode permet d'évaluer la visibilité indépendamment des va- riations d'intensité de la source de lumière, ou de la transparence des ouvertures recouvertes de verre sur le trajet de la lumière. Dans une version préférée du procédé, dans laquelle la source de lumiè- re et les moyens de détection sont disposés côte à côte avec leurs axes optiques parallèles, la lumière directement transmise est dirigée de- puis ladite source de lumière sur lesdits moyens de détection par une paire de miroirs distants de ceux-ci et disposés respectivement à un angle de 450, sur lesdits axes optiques, et en ce que l'un desdits mi- roirs est angulairement mobile autour d'un axe transversal à cet axe optique pour diriger la lumière diffusée par les particules adjacentes audit autre axe optique sur lesdits moyens de détection. Dans ce cas, l'évaluation de la visibilité peut être obtenue dans un espace très réduit et est indépendante des variations de la sensibilité des moyens de détection. Suivant un autre aspect de l'invention, il est prévu un appareil pour évaluer l'effet de particules dans un fluide sur la visibilité à tra- vers celui-ci,dans lequel la lumière traverse ledit fluide entre une source de lumière et des moyens de détection de l'intensité de la lu- mière, et il est caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont prévus pour comparer l'intensité de la lumière propagée partiellement par diffusion sur lesdites particules avec l'intensité de la lumière propagée principalement par transmission directe à travers ledit flui- de. 24788 15 L'invention sera mieux comprise en se référant à la description sui- vante et au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limita- tif, un appareil mettant en oeuvre le procédé suivant l'invention. Sur ce dessin: - la fig. 1 est un schéma synoptique d'un appareil conforme à l'inven- tion. - la fig. 2 est un diagramme montrant le trajet des rayons optiques dans l'appareil. - les fig. 3 et 4 représentent un mode de réalisation pratique de 1' appareil, sur des vues en plan et en élévation respectives. L'appareil qui va être décrit est destiné à mesurer la visibilité de l'atmosphère au voisinage de l'appareil, par exemple sur une autoroute en un point particulièrement sujet au brouillard, par échantillonnage des propriétés de l'atmosphère à transmettre et à diffuser la lumière à l'emplacement de l'appareil. En se référant à la fig. 1, l'appareil comporte deux boîtiers 10 et 12 distant d'un mètre l'un de l'autre sur un chassis (non représenté). Le boîtier 10 contient une lampe à éclairs au xénon 14 pour produire de fortes impulsions qui sont collimatées en un faisceau 18 par une len- tille 16. Le faisceau 18 quitte le boîtier 10 à travers une première fenêtre 20 et se propage par transmission directe à travers l'atmos- phère vers une fenêtre correspondante 22 dans l'autre boîtier 12. Ce boîtier 12 contient deux miroirs 24 et 26; le premier miroir 24 est monté avec un angle de 45 par rapport à l'axe du faisceau lumineux 18, de sorte qu'il réfléchit la lumière incidente vers le second miroir 26 à travers un écran 28 muni d'une ouverture situé entre les miroirs 24 et 26. Le miroir 26, à la différence du miroir 24, est mobile angulairement autour d'un axe transversal au plan de la fig. 1, entre deux positions. Dans une première position, indiquée par une ligne en pointillé en t, 24 78B8 ô le miroir 26 fait un angle de 450 par rapport à la lumière réfléchie vers celui-ci par le miroir 24 et il est ainsi apte à réfléchir en re- tour cette lumière vers le boîtier 10 sous forme d'un faisceau lumineux parallèle à et séparé du faisceau 18. Le faisceau 30 quitte le boî- tier 12 à travers une seconde fenêtre 32 et entre dans le boîtier 10 à travers une fenêtre correspondante 34 o il est focalisé par une len- tille 36 sur un photo-détecteur 38, qui est par exemple une photo- diode. Dans sa seconde position indiquée par une ligne en trait plein en d, le miroir 26 est décalé angulairement dans le sens antihoraire par rap- port à sa première position t d'un angle de 35 . Dans cette seconde po- sition d, il est apte à réfléchir vers le boîtier 10 la lumière inci- dente venant de la fenêtre 32 sous un angle de 200 par rapport à la di- rection du faisceau 30. Comme indiqué à la fig. 1, la lumière 40 inci- dente sur le miroir 26 sous cet angle provient du faisceau 18 par dif- fusion (combinaison de réflexion et de réfraction) sous un angle de 200 par rapport au faisceau 18 sur les particules de vapeur d'eau, par exem- ple, dans un secteur 42 du faisceau 18. Ainsi, quand le miroir 26 est en position t, le photorécepteur 38 re- çoit la lumière qui s'est propagée principalement par transmission à travers l'atmosphère entre les boîtiers 10 et 12, tandis que, quand le miroir 26 est dans sa position d, le photorécepteur 38 reçoit la lu- mière qui s'est propagée au moins en partie par diffusion sur des par- ticules en suspension dans cette atmosphère. Les signaux de sortie du photorécepteur 38 ayant une amplitude repré- sentative de l'intensité de la lumière incidente, sont appliqués par l'intermédiaire d'un amplificateur 44 sur un convertisseur analogique- numérique 46. Les signaux de sortie du convertisseur 46, représentatifs sous forme numérique de l'intensité de la lumière incidente sur le pho- torécepteur 38, sont appliqués sur un circuit de commande 48 qui calcu- le à partir de ceux-ci la visibilité atmosphérique (comme il sera expli- qué par la suite) et commande un convertisseur numérique-analogique 50 24 78 8'5 pour fournir un courant de sortie en relation avec la visibilité. Le circuit de commande 48 commande aussi un circuit d'excitation 52 de la lampe à éclairs 14 pour produire les impulsions lumineuses suivant un programme prédéterminé, et de plus, commande la position du miroir 26, par exemple au moyen d'un électroaimant rotatif (non représenté). En outre, le circuit de commande 48 compare la visibilité calculée avec un seuil prédéterminé, et déclenche une alarme (par exemple pour exciter un dispositif avertisseur à proximité de l'autoroute) si la visibilité tombe au dessous de ce seuil, et déclenche un indicateur de défaut si l'intensité de la lumière incidente sur le photo-récepteur 38 tombe à une valeur indiquant un obscurcissement excessif de la lam- pe à éclairs 14 et/ou des fenêtres 20, 22, 32 et 34. Le circuit de commande 48 peut être avantageusement réalisé en utili- sant un microprocesseur dont le programme pour exécuter les différentes fonctions de commande et de calcul décrites ci-dessus sont à la portée de l'homme de métier et ne nécessite pas de description plus détaillée. De même, les circuits détaillés de l'amplificateur 44, des convertis- seurs 46 et 50, et du circuit d'excitation 52 sont usuels et ne néces- sitent pas de description. Cependant, avant l'élaboration de la mesure de la visibilité atmosphé- rique à partir des intensités de la lumière transmise-et diffusée comme il a été exposé, il peut être utile de discuter brièvement la séquence complète des opérations de l'appareil pour une telle mesure. Initialement, le miroir 26 est dans sa position t et la lampe à éclairs 14 est excitée quatorze fois, une fois toutes les deux secondes. En synchronisme, mais toutes les secondes, le circuit de commande 48 mé- morise la valeur du courant du signal de sortie du convertisseur ana- logique-numérique 46. Ainsi, de telles valeurs successives représentent alternativement MT l'intensité de la lumière transmise tombant sur le photorécepteur 38, et Mz la sortie parasitée du convertisseur 46 due au bruit, à la dérive 24788 15 de l'amplificateur et à la lumière ambiante tombant sur le photorécep- teur 38. Ensuite, le miroir 26 est décalé dans sa position d, et quator- ze autres paires de valeurs représentant MD l'intensité de la lumière diffusée tombant sur le photorécepteur 38 et Mz la valeur zéro sont obtenues de façon analogue. Le circuit de commande 48 forme les dif- férences MT - Mz et MD - Mz pour chaque paire successive de valeurs pour compenser la sortie parasitée, fait la somme des quatorze pre- mières valeurs résultantes avec chaque autre pour former e (MT - Mz), fait la somme des quatorze valeurs restantes pour former 5i(MD - Mz) et calcule alors le rapport: y = 1O (MT - Mz) :L (MD - MZ) Comme expliqué par la suite, Y est la visibilité en mètres, par exem- ple dans la gamme de 10 à 10 000 mètres. La prise de plusieurs échantillons pour chaque mesure réduit de cette manière la possibilité que des variations de visibilité à petite é- chelle au voisinage de l'appareil conduise à une valeur anormalement élevée ou faible pour la visibilité globale. Il est à noter que la sé- rie de mesures d'intensité décrite ci-dessus prend un total de 56 se- condes, temps durant lequel quelques faibles mouvements des particules affectant la visibilité (par exemple des gouttelettes de vapeur d'eau dans le brouillard) se produisent habituellement. Comme le calcul de la valeur de la visibilité peut être exécuté en moins de quatre secon- des, il est possible de répéter la mesure chaque minute. Si la visibi- lité dépasse 5 000 m. cependant, cette cadence de mesure est considé- rée comme inutile, et le circuit de commande 48 peut être prévu pour répéter la mesure seulement toutes les 3 minutes. La théorie appliquée dans le calcul de la mesure de visibilité va être maintenant discutée en relation avec la fig. 2. En se référant à cette figure, l'intensité 02 de la lumière diffusée tombant sur le photorécepteur 38 (c'est-à-dire avec le miroir 26 dans 2478B 15 sa position d) est - cb 02 = I w e cb (=i(MD - %z)) (1 o I est l'intensité de la lumière totale diffusée dans la direction BD depuis le point B, w est l'angle solide correspondant à la lentille 36 vue depuis le point B, c est le coefficient d'absorption atmosphérique, b est le trajet dans l'atmosphére BG + 4L (c'est-à-dire jusqu'à la fenêtre 32 et entre les fenêtres 32 et 34). La valeur de I est aussi donnée par I = N V 0,74 E TIr2 (2) o N est le nombre de particules (gouttelettes d'eau) par unité de volume, V est le volume du secteur 42 d'intersection entre le faisceau émis 18 et le faisceau diffusé 40, 0,74!; est le facteur d'atténuation associé à la diffusion de la lumière par une gouttelette d'eau sous un angle de 200 par rap- port à la direction de la lumière incidente, E est l'éclairement d'une gouttelette d'eau rIr 2 est l'aire de la section transversale d'une gouttelette d' eau de rayon r. On peut remarquer qu'un angle de diffusion de 20 a été choisi parce qu'il correspond à une zone d'intensité minimale dans le diagramme d' interférence produit par la lumière incidente sur une gouttelette d' eau. Ceci est souhaitable, car l'intensité des zones d'intensité ma- 24788P5 ximale dans le diagramme de diffraction est fortement sensible à la fois aux dimensions des gouttes et à la longueur d'onde de la lumière. Ainsi, en choisissant un angle qui élimine effectivement toute contri- bution due au diagramme de diffraction,on minimise les erreurs prove- nant de la sensibilité à ces facteurs. Un angle de 20 satisfait à ces conditions sans nécessiter une précision excessive dans le réglage de cet angle et sans provoquer une diminution excessive de l'intensité de la lumière diffusée. La grandeur E est donnée par la relation: E = 0o e (3) (qui suit la loi de Koschmieder) o 0o est l'intensité de la lumière émise à la fenêtre 20 a est le trajet dans l'atmosphère AB Siest l'aire de la section transversale du faisceau 18 au point B. Finalement, w est donné par: w = S2 / K2 (4) o S2 est l'aire de la surface effective de la lentille 36 K est la longueur du trajet optique BD + DJ En substituant les équations (2) , (3) et (4) dans l'équation (1), on obtient: 02 = NV.0,74 (0oe sl) rir 2 (S2/K) e- cb L'intensité de la lumière transmise 03 tombant sur le photorécepteur 38 (avec le miroir 26 dans sa position t) est: (5) - cYS1 24788 5 03 = x oe (MT - MZ (6) o x est le coefficient d'atténuation de l'écran ajouré 28, u est le trajet atmosphérique AP + HL (c'est-à-dire entre les fenêtres 20 et 22, et 32 et 34). On peut montrer que, pour le coefficient de contraste standard des me- sures de visibilité atmosphérique de 5 %, c = (7) o V est la visibilité en mètres, et que c: 2NTr 2 (8) (Des références pour ces formules et pour la relation entre l'angle de diffusion et l'intensité peuvent être trouvées dans l'ouvrage de J. Bricard "Physique des Nuages" publié aux Presses Universitaires de France, et dans "Transmission du rayonnement infrarouge dans l'atmos- phère" par A. Arnulf et J. Bricard, dans Acta Electronica). En formant le rapport des équations (5) et (6) et en utilisant la for- mule(7)pour éliminer c et les formules (7) et (8) pour éliminer N TIr2 on arrive à: y = 10 03 = 10 x (K2SlI 111 VS) Ve (u-a-byV () Pour un appareil avec une longueur de trajet atmosphérique AP d'envi- ron 600 mm et une différence entre les trajets AP et HL d'environ 135 mm, le terme exponentiel varie entre 1,006 et 1,0006 pour des vi- sibilités de 10 et 100 mètres respectivement. Ainsi, ce terme peut être négligé sans introduire d'erreur significative. Par suite, Y = 10. (MT Mz)/ ú (MD - Mz) = 10 x (K2 SI/ 1,11 VS2) V (10) -24788 5 Comme x et la quantité entre parenthèses dans le terme de droite sont constants, on peut voir que Y (rapport dans ce cas multiplié par 10 des intensités transmises et diffusées) est directement proportionnel. à la visibilité V; on peut aussi voir que Y est indépendant de l'in- tensité d'émission de la lampe à éclairs 14, de la sensibilité du pho- torécepteur 38 et de la transparence (ou autres) des fenêtres 20, 22, 32 et 34. Ainsi toute variation dans le temps de ces paramètres n'affecte pas la précision de l'appareil. Il est à noter à cet égard que les deux faisceaux transmis et diffusé traversent une fenêtre quatre fois: dans le cas du faisceau transmis, les fenêtres 20, 22, 32 et 34, et dans le cas du faisceau diffusé, les fenêtres 20, 32 (deux fois) et 34. La constante de proportionnalité reliant Y et V peut être choisie par sélection de la dimension de l'ouverture de l'écran 28, et ainsi du coefficient d'atténuation x. Par exemple pour avoir Y = V en mètres, x est égal à: 1,11 VS2/ 10 K2 S1 (11) x est égal au -rapport de la surface de l'ouverture à la surface de la section transversale du faisceau 18, c'est-à-dire à (d2 / dl) 2 (12) o di est le diamètre du faisceau 18 d2 est le diamètre de l'ouverture. Ainsi: d2 = di (1,11 VS2/ 10 K2 Sî) / (13) Un étalonnage initial de l'appareil est réalisé en plaçant un fil fin, par exemple d'or ou d'acier, à l'emplacement B dans le faisceau 18. La 24 78 8'5 lumière réfléchie par ce fil vers le miroir 26 simule l'effet des gouttelettes d'eau dans le faisceau 18. Ainsi une série de lectures d'étalonnage peut être établie pour des fils de différents matériaux et diamètres. Un mode de réalisation pratique de l'appareil est représenté aux fig. 3 et 4. La plupart des éléments représentés correspondent directement à ceux de la fig. 1 et portent des numéros de référence correspondants. En outre, on peut voir que les boîtiers 10 et 12 sont supportés par une embase 54 montée sur un poteau 56. Les circuits 44 à 52 sont si- tués sur une plaquette de circuit imprimé 58 dans le bottier 10 qui contient aussi une chaufferette 60 pour empêcher la condensation sur les lentilles 16 et 36 et les fenêtres 20 et 34. Le boîtier 12 con- tient une chaufferette analogue 62 et un électroaimant rotatif 64 pour faire tourner le miroir 26. L'entrée de la lumière ambiante est limi- tée par des capots 66 et 68 partant des boîtiers 10 et 12 respective- ment et un écran vertical 70 s'étend sur la longueur de l'appareil, entre les boîtiers 10 et 12, pour séparer les trajets lumineux 18 et 30. Une ouverture 72 est prévue dans cet écran 70 pour permettre au faisceau 40 d'atteindre la fenêtre 32 et le miroir 26. Une colonnette 74 à la position B (voir fig. 2) permet d'intercaler des filtres d'é- talonnage dans le faisceau 18. De nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil qui vient d'être décrit à titre d'exemple. Ainsi le miroir 24 peut être mobile à la place du miroir 26, le sec- teur 42 étant alors dans le faisceau 30. En variante, les miroirs peu- vent être supprimés et deux photorécepteurs utilisés, l'un à l'empla- cement du miroir 24, l'autre à l'emplacement du miroir 26. Dans ce cas, il n'y aurait pas une compensation automatique des variations de sensibilité des photorécepteurs (mais de telles variations sont en tout cas relativement mineures); par ailleurs, il n'y aurait plus d' éléments en mouvement, tel que le miroir 26 et son électroaimant 64. 24 78 8 1 5 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour évaluer l'effet de particules dans un fluide sur la visibilité à travers celui-ci, dans lequel la lumière traverse le- dit fluide entre une source de lumière et des moyens de détection de l'intensité lumineuse, caractérisé en ce qu'on compare l'inten- sité de la lumière propagée partiellement par diffusion sur les- dites particules avec l'intensité de la lumière propagée principa- lement par transmission directe à travers ledit fluide. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite- lumière diffusée se propage par diffusion vers l'avant desdites particules. 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la- dite lumière directement transmise se propage à travers un volume dudit fluide contenant les particules intervenant dans la diffusion de ladite lumière diffusée. 1-5 4 - Procédé suivant les revendications 2 et 3, dans lequel ladite sour- ce de lumière et lesdits moyens de détection sont disposés côté à côte avec leurs axes optiques parallèles, caractérisé en ce que la lumière directement transmise est dirigée depuis ladite source de lumière sur lesdits moyens de détection par une paire de miroirs distants de ceux-ci et disposés respectivement à un angle de 45', sur lesdits axes optiques, et en ce que l'un desdits miroirs est angulairement mobile autour d'un axe transversal à cet axe optique pour diriger la lumière diffusée par les particules adjacentes au- dit autre axe optique sur lesdits moyens de détection. 5 - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le mi- roir sur l'axe optique desdits moyens de détection est angulairement mobile. 24 788 1'i 6 - Procédé suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le- dit miroir est mobile sur un angle de 35 de manière à diriger la lumière diffusée sous un angle de 20 par rapport à l'autre axe op- tique sur lesdits moyens de détection. 7 - Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite lumière directement transmise se propage à travers une ouverture dimensionnée pour limiter l'intensité maximale de cette lumière par rapport à l'intensité de ladite lumière diffusée à la visibilité minimale. 8 - Appareil pour évaluer l'effet de particules dans un fluide sur la visibilité à travers celui-ci, dans lequel la lumière traverse le- dit fluide entre une source de lumière et des moyens de détection de l'intensité de la lumière, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection sont prévus pour comparer l'intensité de la lumière propagée partiellement par diffusion sur lesdites particules avec l'intensité de la lumière propagée principalement par transmission directe à travers ledit fluide. 9 - Appareil suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ladite lumière diffusée se propage par diffusion vers l'avant desdites particules. - Appareil suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la- dite lumière directement transmise se propage à travers un volume dudit fluide contenant les particules intervenant dans la diffusion de ladite lumière diffusée. Il - Appareil suivant les revendications 9 et 10, dans lequel ladite source de lumière et lesdits moyens de détection sont disposés cote à cète avec leurs axes optiques parallèles, caractérisé en ce que la lumière directement transmise est diri Oée'depuis ladite source de lumière sur lesdits moyens de détection par une paire de 24788 1: miroirs distants de ceux-ci et disposés respectivement à un an- gle de 45 sur l'un desdits axes optiques, et en ce que l'un des- dits miroirs est sélectivement mobile angulairement autour d'un axe transversal à cet axe optique pour diriger la lumière diffu- sée par les particules adjacentes audit autre axe optique sur les- dits moyens de détection. 12 - Appareil suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le mi- roir sur l'axe optique desdits moyens de détection est angulaire- ment mobile. 13 - Appareil suivant la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit miroir mobile est mobile sur un angle de 350 de manière à diriger la lumière diffusée sous un angle de 20 par rapport à 1' autre axe optique sur lesdits moyens de détection. 14 - Appareil suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite lumière transmise se propage à travers une ouver- ture dimensionnée pour limiter l'intensité maximale de cette lu- mière par rapport à l'intensité de ladite lumière diffusée à la visibilité minimale.