Brevet FR2500930A1 — publié le 19820903

L'invention concerne un réfractomètre utilisant la méthode de l'ngle limite. On utilise depuis longtemps, pour la mesure de l'indice de ré- fraction d'un milieu, en particulier d'un milieu liquide, des réfractomè- tres utilisant la méthode de l'angle limite: on met au contact du milieu dont on veut mesurer l'indice un prisme d'indice connu et on éclaire la surface de séparation de ces deux milieux dans le but de déterminer l'angle minimum d'incidence pour lequel la réflexion est totale, c'est-à-dire l'an- gle limite. Pour déterminer l'angle limite, on peut par exemple éclairer la surface séparant les deux milieux sous toutes les incidences à la fois et déterminer, par exemple en déplaçant une petite cellule devant le faisceau réfléchi, l'angle d'incidence pour lequel la quantité de lumière reçue par la cellule varie upndfi peut aussi utiliser une grosse cellule recevant tout le faisceau réfléchi à la fois et déterminer, sur l'image reçue par cette cellule la position de la séparatrice. On peut aussi, au lieu d'éclairer la surface séparant les deux mi- lieux sous toutes les incidences à la fois, sélectionner un petit pinceau correspondant à une incidence et faire varier la position de ce pinceau. Ce pinceau peut être sélectionné au moyen d',une fente mobile placée dans la pu- pille de l'objectif. Une cellule fixe de dimensions suffisantes pour être atteinte successivement par chacun des faisceaux réfléchis détermine la po- sition de la fente pour laquelle l'éclairement de la cellule varie rapidement, Cependant, ces modes de réalisation présentent certains inconvé- nients. Eh, particulier, puisque la lampe doit éclairer, soit sous toutes les incidences à la fois, soit une fente mobile dans un faisceau, il est né- cessaire de choisir une lampe suffisamment puissante, donc de durée de vie relativement limitée. En outre, les deux modes de réalisation décrits précédemment sup- posent une position bien précise de la source lumineuse et une répartition d'éclairement homogène en direction. Or, si l'on est obligé de changer de lampe relativement souvent, on aura du mal à placer la nouvelle lampe dans la mgnme position précise que la première. D'autre part, le déplacement de la cellule ou de la fente est co - teuK et entraîne des imprécisions. Dans le mode de réalisation o l'on éclaire sous toutes les in- cidences à la fois, on a en outre une forte diffusion donc une présence de lumière parasite. Il en découle que les modes de réalisation connus jusqu'à présent sont relativement coûteux et imprécis et l'invention va tenter de remédier à ces inconvénients. L'invention concerne un réfractomètre destiné à la mesure de l'indice de réfraction d'un milieu, utilisant la méthode de l'angle limi- te de réflexion totale, comprenant un prisme de référence, d'indice de ré- fraction connu, pouvant être miien contact avec le milieu à étudier, une source lumineuse, un objectif de focalisation sur le prisme des rayons lu- mineux issus de la source, une cellule de mesure photoélectrique située à la sortie du prisme et un dispositif d'interprétation des signaux reçus par la cellule. Selon l'invention, la source éclaire une fente-source qui a pour image par rapport à un système optique l'une des fentes d'une grille fixe perpendiculaire à l'axe optique et percée de fentes parallèles entre elles régulièrement espacées correspondant chacune à un angle d'incidence du faisceau optique sur le prisme; des moyens sont prévus pour que l'image de la fente-source sur la grille puim être successivement chacune des fen- tes de la grille; la pupille, située dans le plan de la source, est conju- guée avec la face de sortie du prisme et reste immbile lors du déplace- ment de l'image de la fente-source sur la grille. Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention, la fen- te-source est fixe et le faisceau optique tombant sur la grille est dépla- cé parallèlement à lui-m$me au moyen d'un rhomboèdre tournant autour d'un axe parallèle à l'axe optique. Selon une caractéristique de l'invention, ledit système optique est constitué de deux lentilles, la première constituant la pupille et étant placée au foyer de la deuxième. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source est cons- tituée par une diode électroluminescente, jaune de préférence. De préférence, on placera une fibre optique entre la sortie du prisme et la cellule de mesure, la section de cette fibre optique pouvant diminuer entre la face de sortie du prisme et la cellule de mesure. Le dispositif d'interprétation des signaux reçus par la cellule est constitué d'un calculateur numérique. L'invention concerne aussi le procédé de mesure de l'indice de réfraction d'un milieu, utilisant un réfractomètre comportant les caracté- ristiques précédentes. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails, en se référant plus particulièrement à un mode particulier de réalisation de l'invention, représenté sur les figues 1 à 3. La figure 1 représente le schéma optique d'un réfractomètre se- lon l'invention. La figure 2 représente le schéma électronique du réfractomètre de la figure 1. La figure 3 représente la courbe formée par les signaux reçus par la cellule. On se reportera tout d'abord à la figure 1: la figure 1 repré- sente, placé dans un boîtier 1, un réfractomètre destiné à la mesure de l'indice de réfraction d'un milieu liquide 2. Ce réfractomètre comporte un prisme de référence 3 d'indice connu, par exemple en verre, ce prisme étant en contact direct avec le milieu 2. Une source lumineuse 4 éclaire, par l'intermédiaire d'un conden- seur 41, une fente-source 5 unique placée devant elle. La fente-source 5 a pour image par rapport à un système optique S l'une des fentes 5' d'une grille 6 fixe munie de fentes parallèles 5' régulièrement espacées. Entre le système optique S et la grille 6 est situé un rhomboèdre 7 susceptible de tourner autour d'un axe parallèle à l'axe du pinceau issu de la fente-source 5. Ainsi, en tournant sur lui- m"me, le rhomboèdre 7 permet de déplacer l'image de la fente-source 5 sur la grille 6, cette image étant située successivement sur chacune des fentes 51 de la grille 6. Le pinceau issu successivement de chacune des fentes 5' corres- pond à un angle d'incidence déterminé sur le prisme 3. Un objectif O placé entre la grille et le prisme 3, focalise sur le prisme 3 les rayons lumineux issus des fentes 5' de la grille. L'objectif O a la grille à son foyer; les rayons lumineux issus de 5' tombent donc pa- rallèlement sur le prisme 3. La quantité de lumière sortant du prisme 3 peut être mesurée dès la sortie 8 du prisme. Une cellule de mesure 9 peut être pla- cée immédiatement à la sortie 8 mais on a préféré, dans le mode de réalisa- tion de la figure 1, placer la cellule 9 à l'extrémité d'une fibre optique reliant le prisme 3 à la cellule 9, pour éloigner la cellule 9 du milieu 2 qui peut être porté à une température élevée. On a représenté ici - 4 la fibre optique 10 avec une section qui diminue lorsque l'on va du pris- me 3 vers la cellule 9. En effet, comme on ne peut pas réduire la dimen- sion de la face d'entrée 8 de la fibre 10 au-delà d'une certaine limite à cause d'un phénomène de diffraction par la fente 5, la diminution de la section de la fibre optique 10 permet d'utiliser une cellule 9 de petite taille et donc d'améliorer ses performances en bruit et en vitesse. Comme on a représenté en traits pleins le trajet du pinceau lu- mineux issu de la fente 5, on a représenté en traits pointillés un pinceau lumineux issu de la source 4. On peut voir ainsi que, dans le plan image de la source 4 par rap- port au condenseur 4', on a placé une lentille LI, qui constitue la pupille de l'appareil. Cette lentille LM constitue avec la lentille L2 au foyer du- quel elle se trouve le système S. Ainsi, la lentille L2 rejetant la lentil- le LM à l'infini, la pupille est immobile lors du déplacement de l'image 5' de la fente 5 par le mouvement du rhomboèdre 7. Quant à l'objectif 0, il est constitué d'un verre de champ L3, qui projette la pupille sur la sortie 8 du prisie 3, et de l'objectif 1 de focalisation des rayons issus de la fente 51. On constate donc que l'image de la source 3 se trouve à la sortie 8 du prisme et donc sur la cellule 9. Cette position, pour laquelle la sour- ce et la cellule sont conjuguées est celle qui permet un éclairement maxi- mal sur la cellule donc l'utilisation d'une lampe peu puissante. En parti- culier, la source 4 peut être constituée par une diode électroluminescente on a ainsi une source monochromatique de longue durée de vie émettant une lumière modulée. On pourra prendre par exemple une diode électroluminescente jaune pour pouvoir utiliser les calculs connus concernant la raie du sodium. L'appareil selon l'invention permet donc l'utilisation d'une lampe peu puis- sante par exemple d'une diode électroluminescente monochromatique apportant une grande précision dans la mesure et ayant une longue durée de vie. On a représenté sur la figure 2 le schéma électronique, qui com- plète le schéma optique, du réfractomètre selon linvention. Ce schéma comporte un oscillateur Il et un préanplr 12 en amont de la diode électroluminescente 4, le repère 4 correspondant à celui de la figure 1. Le repère 13 désigne l'optique du réfractomètre telle que représen- tée sur la figure 1, avec la cellule 9 à sa sortie. Le signal reçu par la cellule 9, c'est-à-dire l'éclairement E de cette cellule est représenté par la courbe E de la figure 3. Ce signal est numérisé à chaque passage par un maximum: le calculateur numérique 14, placé en aval de la cellule 9, reçoit- simultanément des valeurs discrètes E1, E2,..., de l'clairement et l'an- corre ond nt gle 0/au nudZro de ces valeurs (Fig. 3). Il sélectionne parmi ces valeurs celle qui se trouve la plus proche du point de cassure de la courbe des maxima de la courbe E. L'angle 0c1 correspondant au numéro de la valeur de l'éclairement sélectionnée donne l'angle limite recherché; le calcu- lateur 14 en déduit immédiatement par la loi des sinus l'indice de réfrac- tion du milieu 2. Cet indice est corrigé par le calculateur 14 en fonction par et de la température T du milieu ( T a été mesurée un capteur adapté/a été introduite dans le calculateur 14, comme le montre la figure 2). L'indice est alors affiché en 15 (Fig. 2). L'invention qui vient d'être décrite comporte de nombreux avan- tages. En particulier, elle permet l'utilisation d'une source peu puissan- te, par exemple d'une dbde électroluminescente, ne présentant plus les in- convénients des sources utilisées dans les réfractomètres habituels mais présentant au contraire l'avantage de donner plus de précisions à Pappa- reil puisque la lumière est monochromatique. Le réfractomètre selon l'invention a été conçu non seulement pour que l'image de la pupille se trouve sur la cellule mais aussi pour que la pupille soit rejetée à l'infini au niveau du rhomboèdre et de la grille; ceci permet de déplacer la fente sur la grille sans affecter la pupille. En outre, une erreur dans le positionnement du rhomboèdre n'affecte pas la position de l'image de la fente sur la grille. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple mais elle couvre éga- lement tous les modes de réalisation qui n'en différeraient que par des dé- tails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équiva- lents. Ainsi, on pourrait supprimer le rhomboèdre 7 et faire bouger la fente 5 dans une direction perpendiculaire à l'axe optique afin que la fen- te 5 ait pour image sur la grille 6 successivement chacune des fentes 51 de la grille 6. REVENDICATIONS 1.- Réfractomètre destiné à la mesure de l'indice de réfraction d'un milieu, utilisant la méthode de l'angle limite, comprenant un prisme de référence, d'indice de réfraction connu, pouvant être mis en contact avec le milieu à étudier, une source lumineuse, un objectif de focalisa- tion sur le prisme des rayons lumineux issus de la source, une cellule de mesure photoélectrique située à la sortie du prisme et un dispositif d'in- terprétation des signaux reçus par la cellule, caractérisé par le fait que la source 4 éclaire une fente-source 5 qui a pour image par rapport à un système optique S l'une des fentes d'une gril- le-fixe 6 perpendiculaire à l'axe optique et percée de fentes 5' parallè- les entre elles régulièrement espacées correspondant chacune à un angle d'incidence du faisceau optique sur le prisme 3 et que des moyens sont pré- vus pour que l'image 5' de la fente-source 5 sur la grille 6 puisse être successivement chacune des fentes 5' de la grille 6, la pupille Lj, située dans le plan de la source, étant conjuguée avec la face 8 de sortie du pris- me 3 et restant immobile lors du déplacement de l'image 5' de la fente- source 5 sur la grille 6. 2.- Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fente-source 5 est fixe et que le faisceau optique issu du système optique S est déplacé parallèlement à lui-même au moyen d'un rhomboèdre 7 tournant autour d'un axe parallèle à l'axe optique. 3..- Réfractomètre selon l'une des revendications 1 ou 2, carac- térisé par le fait que-le. système-okt-qiqe Z-st constitué de deux lentilles klet L2, la lentille Li, qui constitue la pupille étant placée au foyer de la lentille L2. 4.- Réfractomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la source 4 est constituée d'une diode électro- luminescente. 5.- Réfractomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une fibre optique 10 est placée entre la face de sortie 8 du prisme 3 et la cellule de mesure 9. 6.- Réfractomètre selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la section de la fibre optique 10 diminue de la face de sortie 8 du prisme 3 à la cellule de mesure 9. 7.- Réfractomètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le dispositif d'interprétation des signaux re- çus par la cellule 9 est constitué d'un calculateur numérique 14.