Brevet FR2488399A1 — publié le 19820212

La présente invention concerne un procédé pour la détection, avec précision, du passage dtun liquide devant au moins un repere dans au moins un tube transparent, par exemple capillaire,etplusgénéralement, l'absence ou la présence de liquide dans le tube quel que soit le milieu qui l'entoure sous réserve que celui-ci soit transparent. I1 est souvent nécessaire de oontrôler l'écoulement d'un liquide dans un tube capillaire transparent ou de repérer le passage de ce liquide à différents niveaux, soit pour enclencher diverses séquences dtautomatisme, soit plus simplement pour mesurer la vitesse d'écoulement de ce liquide. De tels contrôles sont nécessaires par exemple dans le domaine des analyses médicales automatiques, dans celui des mesures de viscosité ou encore dans celui des mesures de température par bulbe et colonne de liquide. Pour ces mesures, il est fréquent de placer les tubes dans des bains de gaz ou de liquide à température élevée ou dans des milieux corrosifs ou dangereux. Les dispositifs employés jusqu'à présent pour détecter le passage de liquide dans un tube capillaire transparent se sont révélés d'un usage limitéssoit parce que la température des bains est trop élevée, soit parce que les capillaires sont trop gros ou trop fins. De plus, leur usage est malaisé en raison du manque de fiabilité, ou de l'imprécision des détections. L'invention permet d'éliminer tous ces inconvénients et offre une solution systématique au problème de la détection de liquide dans des tubes capillaires transparents, quel que soit le milieu environnant dans lequel ils baignent, pourvu qu'il soit transparent. Dans son principe, le procédé selon l'invention consiste à utiliser la surface interne du ou des tubes comme miroir cylindrique, à éclairer chaque tube à la hauteur du ou des niveaux où le liquide doit être détecté, au moyen d'un étroit faisceau lumineux incident et à détecter la lumière que ladite surface réfléchit tout le temps que le liquide n'a pas atteint le point d'incidence du faisceau incident sur le tube. Chaque capillaire > lorsqu'il est vide, réfléchit le faisceau incident dans toutes les directions du plan qui lui est perpendiculaire et qui contient ledit faisceau incident, de sorte que la lumière réfléchie peut être détectée en un point quelconque de ce plan sauf, évidemment, dans l'axe du faisceau incident. Selon le mode de réalisation le plus simple, le dispositif de détection pour la mise en oeuvre de ce procédé comprend au moins un tube, une source lumineuse fournissant au moins un étroit faisceau lumineux perpendiculaire au tube en un point correspondant au niveau auquel la présence de liquide doit être détectée et au moins un détecteur de lumière, tel que photodiode, photorésistance ou tube photomultiplicateur, disposé en un point quelconque du plan normal au capillaire et contenant le faisceau incident, afin de détecter la lumière réfléchie par le tube. Le principe de l'invention, reposant sur la réflexion d'un faisceau incident par un miroir cylindrique constitué par un tube capillaire, reste valable dans le cas où le tube est plongé dans un bain de gaz ou de liquide transparent aux faisceaux incidents et réfléchis. Dans ce cas, le récipient contenant le bain devra avoir une ou plusieurs parois au moins partiellement transparentes (en verre par exemple). On comprend que la détection du passage du liquide à un niveau donné du capillaire est d'autant plus précise que le faisceau incident est plus fin. En effet, si le faisceau incident a une épaisseur non négligeable, l'extinction de la lumière réfléchie ne se fera que lorsque le liquide s'écoulant dans le capillaire aura parcouru tout le segment éclairé, ce qui peut demander un certain temps pour des liquides visqueux. Les moyens habituels de l'optique permettent d'obtenir des faisceaux très fins par l'utilisation de diaphragmes et de lentilles appropriés mais, dans ce cas, énergie lumineuse parvenant au capillaire et, à fortiori, atteignant le photodétecteur est d'autant plus faible que le faisceau est plus fin. On est alors limité par la sensibilité du détecteur de lumière. On pourrait certes utiliser de très fortes énergies incidentes, mais alors, on risque de perturber la température du milieu baignant le capillaire, ce qui est souvent un obstacle rédhibitoire dans certaines techniques, par exemple celle de la viscosimétrie où cette température doit être stable à quelques 1/1000 près. Selon linvention, on remédie à cet inconvénient en utilisant un faisceau laser généré par une source héliumnéon. Un tel faisceau offre le double avantage d'être ex trêmement fin et de véhiculer une énergie lumineuse importante pouvant exciter le photodétecteur sans pratiquement transmettre d'énergie calorifique au milieu. Il est d'autre part fréquent que l'on doive surveiller simultanément plusieurs tubes capillaires identiques ou non, plongés dans le même milieu. C'est le cas notamment d'appareils multipostes d'analyse médicale ou de mesure viscosim8trique. Il est alors intéressant de n'utiliser qu'unie seule source lumineuse, surtout lorsqutil stagit d'une source laser dont le coat n'est pas négligeable. Pour résoudre ce problème relativement à n tubes à observer simultanément, on utilise selon l'invention un système constitué de n miroirs cylindriques de diamètres différents, empilés les uns sur les autres par ordre de diamètres décroissants, chacun des n-1 miroirs supérieurs étant pourvu sur son arête circulaire supérieure dun chanfrein d'amplitude angulaire égale à n1 .3600, et décalé n par rapport au chanfrein du miroir suivant de l'empilement d'un angle de 3600 toujours dans le même sens, et de façon n que les chanfreins de tous les miroirs soient contenus dans une même surface conique, ledit système de miroirs étant entrainé en rotation en bloc autour de l'axe de ladite surface conique au devant dtun faisceau lumineux, tel qu'un faisceau laser, qui se propage sensiblement le long d'une arête de la surface conique, de façon à se réfléchir tour à tour sur les surfaces supérieures des parties non chanfreinées des arêtes súpérieures des miroirs en donnant naissance à autant de faisceaux réfléchis utilisables pour éclairer les tubes à observer. Pour la détection de m repères sur un même tube on peut utiliser selon l'invention m-1 lames à faces parallèles, disposées parallèlement les unes par rapport aux autres avec un espacement réglable et dont les faces supérieures sont semi-réfléchissantes, et un miroir plan disposé parallèlement auxdites lames et à la suite d'elles. Un tel système donne, à partir d'un unique faisceau incident, m faisceaux réfléchis sur les trajets desquels peut être disposé perpendiculairement le tube à observer. Plusieurs exemples de réalisation de l'invention seront décrits à présent en regard des dessins annexés dans lesquels: Les figures la, lb et 2a, 2b, sont respectivement des vues en coupe longitudinale et transversale d'un tube capillaire vide, puis rempli de liquide, illustrant le principe de la détection d'un liquide à un niveau donné; La figure 3 montre lgapplication de ce principe au cas où le tube capillaire baigne dans un milieu liquide ou gazeux; La figure 4a montre une vue en plan d'un empilement de miroirs cylindriques utilisés pour obtenir plusieurs faisceaux réfléchis à partir d'un unique faisceau incident; La figure kb représente un dispositif utilisant les miroirs de la figure 4a pour détecter le niveau de liquide sur plusieurs tubes capillaires simultanément; ; La figure 5 est une vue en élévation d'une lame à faces parallèles permettant également d'obtenir deux faisceaux réfléchis à partir d'un unique faisceau incident, et La figure 6 est une vue en élévation d'un dispositif permettant de détecter le niveau de liquide en deux points de plusieurs tubes capillaires. Avec référence aux figures la et lb, le tube capillaire transparent 10 est vide et le faisceau incident 12 issu de la source S et arrivant perpendiculairement au tube 10, se réfléchit sur la paroi interne de ce dernier dans toutes les directions en des faisceaux 14 situés dans un plan perpendiculaire au tube et contenant le faisceau incident 12. En un point quelconque de ce plan excepté sur le trajet du faisceau incident, est disposé un détecteur de lumière 16 dirigé vers le tube, par exemple une photodiode, une photorésistance, un tube photomultiplicateur ou analogue. Tant que le liquide 18 n'a pas atteint le point d'incidence 20 du faisceau 12 sur le tube, le détecteur sera excité par la lumière réfléchie par le tube. Dès que le liquide a atteint le niveau 20 (figures 2a, 2b) le tube capillaire cesse de réfléchir le faisceau incident. Les signaux fournis par le photodétecteur sont ensuite traités par des circuits électriques appropriés qui n'entrent pas dans le cadre de l'invention. Dans le cas de la figure 3, le tube capillaire 10 baigne dans un milieu liquide ou gazeux 22, transparent vis-a-vis des faisceaux incidents 12 et réfléchis 14. Ce milieu est contenu dans un récipient 24 dont les parois AD, AB sont transparentes. La paroi CD peut elle aussi-être transparente afin de permettre à un observateur 26 de surveiller le bon fonctionnement des opérations. Ainsi qu'on la expliqué précédemment, la précision dans la détection du passage du liquide au niveau considéré est d'autant meilleure que le faisceau incident est fin. On utilise pour cela une source laser qui a davantage de fournir un faisceau extrêmement fin véhiculant une énergie lumineuse importante et pratiquement pas d'énergie calorifique. Au moyen d'une unique source laser on peut en outre surveiller simultanément plusieurs tubes capillaires, comme on ltexpliquera à présent à propos des figures 4a et 4b. Le dispositif utilisé à cet effet comprend plusieurs miroirs cylindriques, quatre dans le cas considéré, M1, M2, M3 et M4. Ces miroirs ont des diamètres différents et sont empilés concentriquement par ordre de diamètres décroissants. Chacun des trois miroirs supérieurs M2, M3 et M4 est chanfreiné sur son arête circulaire supérieure. Les chanfreins respectifs 30, 32 et 34 ont une amplitude angulaire de 2700 et sont décalés les uns par rapport aux autres de 900. Comme le montre la figure 4b, les diamètres des miroirs sont choisis de façon que les chanfreins soient contenus dans une surface conique de même axe que les différents miroirs. Les miroirs sont solidarisés par un moyen quelconque,tel qu'un axe 36 et sont entrainés en rotation autour de leur axe commun x-x par un moteur électrique 38, au devant d'un faisceau laser incident 40 émis par la source S et se propageant parallèlement et au voisinage d'une arête de la surface conique définie ci-dessus. La figure 4b montre le système dans la position pour laquelle le faisceau 40 se réfléchit sur le miroir de base M1 et donne un faisceau réfléchi 40riz sur le trajet duquel est disposé perpendiculairement un tube capillaire T1. Lorsque le système tourne de 900, le miroir M1 est occulté par la partie non chanfreinée30' du miroir M2. C'est alors ce miroir qui réfléchit le faisceau laser en un faisceau réfléchi 402 qui vient éclairer un tube capillaire T2 disposé perpendiculairement sur son trajet. Après une rotation supplémentaire de 900, la partie non chanfreinée 32' du miroir M3 vient occulter le faisceau incident 40, et 3 réfléchit celui-ci en donnant un faisceau réfléchi 40 qui 3 éclaire un tube T3. .Enfin, au quart de tour suivant, la par- tie non chanfreinée 34 du miroir M4 occulte le miroir M3.Le faisceau 40 se réfléchit donc sur le miroir M4 en donnant un faisceau réfléchi 404 qui vient éclairer un tube Ca- pillaire T4. Si le moteur tourne à une vitesse de N tours par seconde, chacun des tubes T1 à T4 sera éclairé N fois par seconde. On choisit N pour que la détection soit satisfaisante. Les circuits électroniques destinés à traiter les signaux reçus par les photodétecteurs, non représentés, sont adaptés à ces fonctionnements séquentiels. Les signaux peuvent être filtrés par un montage intégrateur, mais on peut également utiliser tout autre dispositif analogue, par exemple par détection synchrone. Le dispositif illustré aux figures 4a, 4b est conçu pour la détection du niveau de liquide dans quatre tubes capillaires, mais il est évident que l'on peut appliquer son principe au cas de n tubes. Dans ce cas, on utilisera n miroirs cylindriques, dont les n-1 premiers sont chen n-l freinés sur un angle de .3600, le décalage du chanfrein n d'un miroir par rapport à celui du miroir suivant étant v 3600 égal a On notera que a distance d séparant deux tubes voisins et l'épaisseur e du miroir compris entre ces tubes sontliées par la relation d = e\m2. Il suffit donc de jouer sur épaisseur des miroirs (ou sur la distance séparant les surfaces supérieures de deux miroirs voisins) pour faire varier la distance d. Dans ces dispositifs, on détecte le passage d'un liquide à un seul niveau du ou des tubes capillaires. Lorsqu'on désire détecter le passage dwun liquide en deux niveaux d'un tube capillaire, on utilise, comme le montre la figure 5, une lame à faces parallèles 50 dont la face supérieure 52 est semi-réfléchissante. Un faisceau lumineux 54, tel qu'un faisceau laser, tombant sur la face 52, sous une incidence de 450 par exemple, donne un premier faisceau réfléchi 541 et un faisceau réfracté 542 qui traverse la lame et sort parallèlement au faisceau incident 54. Ledit faisceau réfracté se réfléchit sur un miroir plan 56 en donnant un second faisceau réfléchi 543 parallèle au faisceau 541.Les deux faisceaux réfléchis 541 et 543 servent à détecter le passage d'un liquide à deux niveaux différents distants de 1, sur un même tube capillaire 58. On conçoit que lorsqu'on fait varier la distance h entre le miroir plan 56 et la lame 50, on arrive à régler la distance 1 séparant les deux faisceaux réfléchis 541 et 543 de manière à rendre celle-ci égale à l'écart entre les deux niveaux à repérer. Pour le repérage de m niveaux sur un tube capillaire, on utilise un système de m-l lames à faces parallèles disZ posées parallèlement entre elles avec un léger écartement et un miroir plan disposé parallèlement auxdites lames et à la suite d'elles. A partir d'un unique faisceau incident on obtient alors m faisceaux réfléchis parallèles. En pratique, on est toutefois limité à 2 ou 3 lames. Il va de soi que l'on peut également utiliser le système de la figure 4b pour le repérage de n niveaux-sur un même tube. Il suffit pour cela de placer le tube considéré parallèlement au faisceau incident et perpendiculairement aux faisceaux réfléchis issus des miroirs cylindriques. Dans le cas où l'on doit détecter simultanément le passage d'un liquide dans plusieurs tubes en m niveaux différents sur chaque tube, on combine le système à miroirs tournants chanfreinés de la figure 4b à celui comprenant m-l lames à faces parallèles et un miroir plan. La figure 6 montre le dispositif utilisé lorsqu'on veut détecter deux repères sur quatre tubes T1 à T4. Ce dispositif comprend quatre miroirs M1 à M4 qui réfléchissent le faisceau incident 60 en quatre faisceaux réfléchis 601 à 604, lesquels tombent sur une lame à faces parallèles 62 qui donne de chaque faisceau 601 à 604 un rayon réfléchi 601l, 6021, 603lu 6041 et un faisceau réfracté. Celui-ci se réfléchit sur un miroir plan 64 en les faisceaux 6012, 6022, 6032 et 6042. Les couples de faisceaux 601l-60l2, 21 6022, 6031-6032, 6041-6042 sont respectivement associés aux tubes T1 à T4. Bien entendu le principe de l'invention est également applicable à la détection de la présence de liquide dans un tube non capillaire. REVENDICATIONS 1.- Procédé de détection de la présence d'un liquide à au moins un niveau d'au moinsuntube transparent, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser la surface interne du ou des tubes 10 comme miroir cylindrique, à éclairer chaque tube à la hauteur du ou des niveaux 20 où le liquide 18 doit être détecté, au moyen d'un étroit faisceau lumineux incident 12 et à détecter la lumière 14 que ladite surface réfléchit tout le temps que le liquide n'a pas atteint le point d'incidence 20 du faisceau incident sur le tube. 2.- Dispositif de détection pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tube 10, une source lumineuse S fournissant au moins un étroit faisceau lumineux 12 perpendiculaire au tube en un point 20 correspondant au niveau auquel la présence de liquide doit être détectée et au moins un détecteur de lumière 16, tel que photodiode, photorésistance ou tube photomultiplicateur, disposé en un point quelconque du plan normal au tube et contenant le faisceau incident afin de détecter la lumière 14 réfléchie par le tube. 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube 10 est capillaire. 4.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source S est une source laser. 5.- Dispositif selon ltune des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le ou les tubes 10 sont plongés dans un récipient 24 contenant un bain de gaz ou de liquide 22 transparent vis-à-vis du faisceau incident 12 et des faisceaux réfléchis 14. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit récipient 24 comprend au moins deux parois transparentes, l'une AD pour le passage du faisceau incident 12 et l'autre AB pour le ou les faisceaux réfléchis 14. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ledit récipient comprend une troisième paroi transparente CD permettant à un observateur 26 de surveiller le bon fonctionnement des opérations. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 7, pour la détection simultanée de la présence d'un liquide en un niveau sur n tubes, caractérisé en ce qu'il comprend un système constitué de n miroirs cylindriques M1... M4 de diamètres différents, empilés les uns sur les autres par ordre de diamètres décroissants, chacun des n-l miroirs supérieurs étant pourvu sur son arête circulaire supérieure d'un chanfrein 30, 32, 34 d'amplitude angulaire égale à n-- 3600, et décalé par rapport au chanfrein du miroir n suivant de l'empilement d'un angle de 3600 toujours dans le n meme sens, et de façon que les chanfreins de tous les miroirs soient contenus dans une même surface conique, ledit système de miroirs étant entraîné en rotation en bloc autour de lwaxe x-x de ladite surface conique au devant d'un faisceau lumineux 40, tel qu'un faisceau laser, qui se propage sensiblement le long d'une arête de la surface conique, de façon à se réfléchir tour à tour sur les surfaces supérieures des parties non chanfreinées 30', 32 , 34 des arêtes supérieures des miroirs en donnant naissance à au tant de faisceaux réfléchis 401 .... 4 4 utilisables pour 404 éclairer les tubes T1 .... T4 à observer. 9.- Dispositif selon lune des revendications 2 à 8, pour la détection simultanée de la présence d'un liquide en m niveaux sur un seul tube, caractérisé en ce qu'il comprend m-l lames à faces parallèles 50, disposées parallèlement les unes par rapport aux autres avec un espacement réglable et'dont les faces supérieures 52 sont semi-réfléehissantes, et un miroir plan 56 disposé parallèlement auxdites lames et à la suite d'elles. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, pour la détection simultanée de la présence d'un liquide en m niveaux sur n tubes, caractérisé par la combinaison de n miroirs cylindriques chanfreinés tournants, susceptibles de donner n faisceaux réfléchis parallèles à partir d'un unique faisceau incident, de m-l lames à faces parallèles et d'un miroir plan disposés perpendiculairement aux trajets desdits faisceaux réfléchis, de sorte que chacun desdits faisceaux réfléchis se partage en m faisceaux servant au repérage des m niveaux sur le tube correspondant.