Brevet FR2524643A1 — publié le 19831007

La présente invention porte sur un appareil servant à déterminer la densité, la concentration, le poids spéci- fique, etc, d'un liquide en employant un système optique. On connait déjà un appareil servant à déterminer la densité, la concentration, le poids spécifique, etc, d'un liquide en employant un système cptique Cet appareil comprend un corps permettant la propagation de la lumière, lequel est immergé dans le liquide devantfaire l'objet des essais, et possède une surface de paroi interfaciale au contact du liquide De la lumière est émise contre cette surface et la lumière qui s'y réfléchit est reçue par un élément récepteur de lumière La quantité de lumière réflé- chie est utilisée pour déterminer la densité, la concentra- tion, le poids spécifique, etc, du liquide Toutefois, l'appareil est imprécis étant donné que son élément récep- teur de lumière reçoit non seulement la lumière réfléchie mais aussi la lumière extérieure et qu'il est fortement in- fluencé par la lumière extérieure, en particulier quand la quantité de lumière réfléchie est faible. Afin de résoudre ce problème, la publication japo- naise soumise à l'examen public NO 139560/1978 (demande non examinée) propose qu'un miroir soit placé sur la surface de paroi interfaciale pour produire la réflexion totale de la lumière incidente afin de minimiser la réduction de la quantité de lumière réfléchie Cependant, ce miroir est difficile à monter, et il a un angle d'incidence fixe qui ne permet la réflexion totale de la lumière incidente que dans des conditions spécifiques Il en résulte que seule une faible modification apparaît dans la quantité de lumière, et les résultats des mesures sont fortement affectés par la lumière extérieure Cela abaisse la précision de l'ap- pareil De plus, il est diffic Ze de fabriquer cet appareil -à des coûts raisonnables. Etant donné les inconvénients de l'état de la technique tels qu'ils ont été mis en relief ci-dessus, l'un des buts de la présente invention est de créer un appareil du genre mentionné plus haut, qui ait une surface de paroi interfaciale dont la forme soit telle qu'elle permette l'emploi efficace de la réflexion totale pour empêcher, par là-même, toute réduction de la quantité de lumière réfléchie, dans toute la mesure du possible, et qu'il soit facile à fabriquer. Un autre but de l'invention est de créer un appa- reil du genre mentionné plus haut, dont la précision soit améliorée. D'autres buts-de la présente invention ressortent de la description détaillée qui suit et des dessins qui l'accompagnent. La figure 1 est une vue en élévation montrant la partie essentielle d'un appareil selon l'invention. La figure 2 est une coupe suivant la ligne X-X de la figure 1. La figure 3 est une vue en élévation d'un autre appareil selon l'invention. La figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne X-X de la figure 3. La figure 5 est une vue en élévation montrant une forme modifiée du corps transmetteur de lumière, qui cons- titue une partie essentielle de l'invention. La figure 6 est une vue similaire à la figure 3, mais qui montre un autre mode de réalisation de l'invention. Le liquide 1 qui doit être examiné (fig 1 et 2) a un indice de réfraction N 1-, et un corps 2 transmetteur de lumière y est immergé, ce corps ayant un indice de réfrac- tion N supérieur à celui du liquide 1 Le corps 2 trans- metteur de lumière est réalisé en verre optique ou en matière plastique, ou en une matière analogue, et il a une entrée de lumière 3, une sortie de lumière 4 et une surface de paroi interfaciale comprise entre elles L'entrée 3 est située en face d'une source 6 de lumière, et une lentil- le 7 est placée entre l'entrée 3 et la source lumineuse 6, tandis qu'un élément récepteur de lumière 8 se trouve en facede la sortie 4 L'entrée 3 a un couple de surfaces de parois de guidage 9 et 10, tandis que la sortie 4, de même, a un couple de surfaces de parois de guidage 11 et 12 Ainsi, le corps 2 définit un trajet pour la lumière, avec une zone de réflexion et des zones de propagation La lumière émise par la source 6 est trandbrmée en rayons parallèles quand elle traverse la lentille 7, elle pénètre dans le corps 2 par son entrée 3, et elle est réfléchie sur la surface 5 de paroi interfaciale La lumière réfléchie quitte le corps 2 par sa sortie 4. L'entrée 3 et la sortie 4 peuvent être chacune partie intégrante du corps 2, ou, en variante, elles peuvent comprendre un élément séparé fait d'un bon conducteur de la lumière, tel qu'une fibre optique, et être raccordée au corps 2, par exemple, de telle manière que les conducteurs puissent se trouver entre l'entrée 3 et la source 6 et entre la sortie 4 et l'élément récepteur de lumière 8 Dans ce dernier cas, le corps 2 peut collecter plus efficacement la lumière provenant de la source 6. Le corps 2 transmetteur de lumière 2 a une surface plane 13 dans une zone comprise entre l'entrée 3 et la sortie 4, et éloignée de la surface 5 de paroi interfaciale Cette surface plane 13 ne participe pas directement à la mesure. La surface 5 de la paroi a un contour en arc de cercle faisant partie d'un cercle imaginaire dont le centre et le rayon sont désignés par O et R, et le long duquel la lumière se propage jusqu'à l'élément récepteur de lumière 8 et auquel les parois de guidage 10 et 12 sont tangentes. La forme de la surface 5 de paroi est choisie de manière que l'on soit sûr que tous les rayons qui pénètrent perpendiculairement à l'entrée 3 seront effectivement réflé- chis dans les conditions prescrites Si la lumière L qui se propage en ligne droite le long de la paroi de guidage 9. est réfléchie en un point P de la surface 5 de la paroi, une ligne droite reliant le centre 0 et le point P définit une ligne normale M, et la lumière L et la ligne normale M définissent un angle d'incidence A entre elles Si cet anglefi est plus grand que l'angle critique mais plus petit qu'un angle droit, la lumière est totalement réfléchie au point P Il est nécessaire que la forme en courbe de la sur- face de paroi 5 soittelle que ces conditions soient satis- faites. D'autre part, si la lumière L' avançant de façon rectiligne le long de la paroi de guidage 10 est réfléchie en un point Q de la surface 5 de la paroi, une ligne droite reliant les points O et Q constitue une ligne normale N définissant un angle d'incidence A' entre elles La lumière L' est totalement-réfléchie au point Q si l'angle d'incidence A ' n'est pas sapérieur à un angle droit La forme de la surface 5 de paroi doit aussi satisfaire à cette condition. Cela signifie que tous les rayons lumineux compris entre la lumière L et la lumière L' sont totalement réflé- chis sur la surface 5 de paroi dans les conditions pres- crites, si la surface 5 de paroi a un contour en courbe faisant partie d'un cercle imaginaire qui passe par les points P et Q. La ligne normale N et la lumière L' définissent un angle droit entre elles, et la ligne normale N et la lumière L définissent aussi un angle droit entre elles La ligne normale N et la lumière L ont un point d'intersec- tion S La distance OS entre les points O et S est égale à R sin 6, et le rayon R du cercle imaginaire est égal & la distance OS entre les points O et S plus l'épaisseur t du corps 2 entre les parois de guidage 9 et 10 En conséquence, le rayon R peut être obtenu grâce aux équations ( 1) et ( 2) suivantes: R = R sin f+ t ( 1) R = ( 2) (l-sinp) La longueur 1 de l'arc PQ, compris entre les points P et Q, est exprimée par l'équation suivante: 1 = R ( > _) ( 3) dans laquelle I( fr) est l'angle compris entre les lignes normales M et N au point 0. L'invention va maintenant être décrite au moyen d'un exemple, avec référence à l'emploi d'un corps 2 conduisant la lumière, fabriqué en verre et ce,pour une solution de sucre d'une concentration de O à environ 65 % Le verre dont est fait le corps 2 a un indice de réfractin N 2 de 1, 520 à 200 C, tandis qu'une solutionde sucre ayant une concentration de O %, qui est de l'eau ordinaire, a un indice de réfraction N 1 de 1,330 à 20 C. Si l'angle d'incidenceh de la lumière L est égal à l'angle critique, et si l'épaisseur t entre les parois de guidage 9 et 10 est de 3 mm, l'angle critique " s'exprime de la manière suivante: Indice de réfraction (n)d'une solution de sucre à O % 1 -1 " = sin Indice de réfraction (n 2) du corps transmetteur de lumière Ainsi, Ot= sin 1,33 = 61,05 (degré d'angle). 1,520 Le rayon R qui définit le contour courbe de la sur- face 5 de cloison peut être obtenu grâce à l'équation ( 2) de la façon suivante: R = _______________ = 24,01 (mm)> 1 sin 61,05 lia longueur 1 de l'arc compris entre les points P et Q est: 1 = ( 90 61,05 X 24,01 x 21 r 12,13 (mm) Ainsi, l'appareil de l'invention qui convient pour déterminer la concentration d'une solution de sucre ayant une concentration de O à 65 % peut comprendre une surface de cloison interfaciale en forme d'arc qui fasse partie d'un cercle imaginaire ayant un rayon R de 24,01 mm, et ayant une longueur d'arc (l) de 12,13 mm, ainsi qu'une entrée de lumière 3 et une sortie de lumière 4 ayant toutes deux 3 mm de largeur et reliées respectivement aux extrémités opposées de la surface en forme d'arc et tangentiellement à elles. Il est expliqué ci-après la mesure de la concentra- tion de la solution de sucre ci-dessus selon l'appareil décrit précédemment. la surface de paroi 5 en forme d'arc du corps 2 transmetteur de lumière est amenée au contact du liquide 1, ou immergée dans le liquide 1 à examiner, qui, dans le cas présent, est une solution de sucre Si la solution de sucre a une concentration de O %, tous les rayons lumineux émis par la source 6 se propageant de façon rectiligne à travers l'entrée 3 sont totalement réfléchis sur la surface de paroi dans la zone ayant une longueur d'arc PQ de 12,13 mm entre les points P et Q Lia lumière réfléchie passe à travers la sortie 4 et atteint l'élément 8 récepteur de lumière Dans ce cas, la plus grande quantité de lumière réfléchie est reçue par l'élément 8. Quand la concentration de la solution de sucre, qui constitue le liquide 1 à étudier, croit, l'angle critique o C, qui est fonction du corps 2 transmetteur de lumière et de la concentration de la solution, varie L'angle critique a( croit lorsque la concentration de sucre dans la solution-croit, et il en résulte une réduction graduelle, dans cette zone, de la partie PQ de la surface 5 de paroi dans laquelle l'angle d'incidence de la lumière est supéreur à l'angle critique La lumière devient progressivement inca- pable de satisfaire à la règle de la réflexion totale, en commençant par les rayons qui sont les plus près de la lumière L qui se propage en ligne droite le long de la paroi de guidage 9 En conséquence, la quantité de lumière réflé- chie reçue par l'élément 8 subit une réduction progressive. Ces changements sont montrés dans le tableau 1 Les données qui y figurent témoignent de la précision de l'appareil, étant donné qu'une variation de concentration du sucre dans la solution produit une variation importante de la force électromotrice (m V) produite dans l'élément récepteur de lumière, qui est sensible à la variation de cette concen- tration Se tableau 1 montre la relation entre la concen- tration du sucre dans la solution et la force électromotrice (m V) produite dans l'élément récepteur de lumière Ces résultats ont été obtenus en utilisant une lampe NATIONAL MB-22 N (nom commercial), recevant une tension de 2 V, en tant que source lumineuse 6, et un appareil OMRON EE-66 (nom commercial) ayant une impédance de 150 ohms en tant qu'élément récepteur de lumière 8. Tableau 1 Concentration de sucre de canne et force électromtrice produite dans l'élënt récpteur de lumière (r V, 20 "C) Essai fiyame \ Moyenne 1 2 3 4 5 t typ Concen tration 0 119,4 119,0 119,3 119,1 119,4 119,24 0,18 9,8 101,2 101,5 101,6 101,5 101,8 101,52 0,22 21,2 81,6 82,0 82,1 81,8 82,3 -81,96 0,27 31,8 65,3 65,1 65,1 64,8 65,2 65,10 + 0,19 42,0 49,3 49,2 49,3 48,8 48,8 49,08 + 0,26 1551,6 33,8 34,2 34,1 33,7 33,9 33,94 0,21 62,7 18,0 18,5 18,2 18,2 18,3 18,24 + 0,18 67,3 11,9 11,8 12,3 12,2 12,0 12,04 0,21 La conception de l'appareil décrit ci-dessus exemple est fondée sur l'angle critique i o" base de l'indice de réfraction (n 1) d'une sol au moyen d'un btenu sur lution de à la concentration minimale, c'est-à-dire O %, qui est en fait de lau ordinaire Toutefois, cela n'est pas toujours le cas, mais il peut arriver que la conception du corps transmetteur de lumière doive être fondée sur l'angle critique particulière de la concentration devra être mesurée, l'indi- ce de réfraction (n 1) lui correspondant peut être utilisé comme base de la conception du corps transmetteur de lumière. L'appareil conforme à la présente invention, qui est conçu et utilisé de la façon décrite plus haut, assure une précision élevée dans la détermination de toute valeur la sucre inconnue de la concentration si la force électromotrice produite dans l'élément récepteur de lumière a été obtenue au préalable pour chaque valeur de concentration à déterminer. Il résulte à l'évidence-de la description qui pré- cède que l'appareil conforme à la présente invention est caractérisé en ce que le corps transmetteur de lumière, qui est immergé dans le liquide à examiner ou qui est mis en contact avec lui, a une surface de paroi interfaciale en forme d'arc de cercle dont le rayon R est choisi en rela- tion avec l'angle critique OC obtenu à partir de l'indice de réfraction (n 1) du liquide et de l'indice de réfraction (ni) du corps transmetteur de lumière de façon à définir un angle d'incidence A qui permette la réflexion maximale de la lumière sur la surface de paroi nterfaciale Selon l'appareil représenté à la figure 1, la lumière réfléchie sur la surface deparoi interfaciale 5 est reçue directement par l'élément récepteur de lumière En variante, il est possible de réaliser l'invention sous la forme d'un appareil qui détermine la concentration, etc, d'un liquide en com- parant la lumière réfléchie sur la surface de paroi 5 et la lumière qui ne passe pas à travers le corps 2 transmetteur de lumière, ainsi que le montrent les figures 3 et 4 à titre d'exemple. Donc, aux figures 3 et 4, un bloc de fibre optique 14 définit une entrée pour la lumière, et un bloc de fibre optique 15 définit une sortie pour la lumière Ceux-ci sont fixés aux extrémités opposées du corps 2 transmetteur de lumière La fibre optique 14 a une autre extrémité, qui est reliée à une source lumineuse 6 La fibre optique 15 a une autre extrémité qui est reliée, pour une part 16 a, à un. élément récepteur de lumière 16 Un bloc de fibre optique 17 s'étend de la source lumineuse 6 à une autre partie 16 b de l'élément 16 Un dispositif atténuateur de lumière 20 est prévu en face de la source de lumière 6, pour corriger la différence de luminosité entre la lumière 18 traversant le corps 2, laquelle est réfléchie sur la surface 5 de paroi et atteint la partie 16 a, et la lumière 19 se propa- geant directement de la source lumineuse à l'autre partie 16 b La concentration, etc, du liquide est déterminée sur la base de la grandeur de cette correction L'appareil représenté aux figures 3 et 4 procure une précision plus élevée dans la déterminaion de la concentration, de la densité, du poids spéciffque, etc, d'un 21 quide. A la figure 5, le corps conducteur de lumière a une surface 5 de paroi interfaciale dont le contour est semi- circulaire dans la direction de passage de la lumière, et, par conséquent, il est d'une réalisation compacte. La figure 6 montre une version modifiée de l'ap- pareil de la figure 3 L'appareil comprend un couple de bottiers 21 et 22 placés l'un sur l'autre et réunis de façon ouvrable, par une charnière 23 Le bottier 22 a un renfoncement 24 qui est complémentaire de la surface courbe de paroi du corps 2 transmetteur de lumière, et destiné à recevoir le liquide à étudier 1 Une pile 25 servant à ali- menter la source de lumière 6 et un contrôleur de tension 26 sont disposés dans le bottier 22 Le numéro de référence 27 désigne un conducteur allant à la source lumineuse Dans le cas de cet appareil, le liquide à examiner 1 est extrait et versé dans le renfoncement 24 Cet appareil est d'une réalisation compacte et il est portable. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en faisant référence à plusieurs de ses modes de réalisation, il doit être compris que d'autres modifications ou variantes peuvent être réalisées aisément par tout homme de l'art normalement qualifié, sans que l'on s'écarte de l'étendue de cette invention telle qu'elle est définie par les re- vendications jointes Par exemple, les modifications suivantes sont possibles 1 La totalité de la surface 5 de paroi, sauf la zone comprise entre les points P et Q, peut être traitée d'une façon qui n'empêche pas la réflexion de la lumière Par exemple, elle peut être masquée ou recouverte de peinture, seule la zone comprise entre les points P et Q étant transparente Cet arrangement contribue à empêcher toute réduction supplémentaire de la quantité de lumière réfléchie. 2 Bien que, dans les modes de réalisation décrits plus haut, l'angle d'incidence a défini entre la lumière L et la ligne normale M soit égal à l'angle critique ", il est possible d'utiliser un angle d'incidence fi supérieur à l'angle critique ". 3 La distance t entre les parois de guidage 9 et 10, dans l'entrée de la lumière, peut être modifiée de façon appropriée. Ainsi que cela résulte de façon évidente de la description qui précède, l'appareil conforme à la présente invention peut faire une détermination précise de la den- sité, de la concentration, du poids spécifique, etc, d'un liquide, étant donné que la réflexion totale de la lumière incidente sur la surface de paroi en forme d'arc dans les conditions prescrites réduit au minimum la baisse de la quantité de lumière réfléchie, pour assurer ainsi une modification importante de la quantité de lumière reçue par l'élément récepteur de lumière De plus, cet appareil est facile à fabriquer. REVENDICATIONS 1 Appareil pour déterminer la concentration ou d'autres caractéristiques physiques d'un liquide par examen des variations de caractéristiques d'un faisceau lumineux émis à travers ce liquide, caractérisé en ce qu'il comporte, entre une source de lumière et un élément récepteur de lumièreun corps transmettant la lumière, présentant pour cette lumière une entrée du côté de la source de lumière et une sortie du côté de l'élément récepteur de manière à former pour la lumière un passage dans lequel celle-ci se propage de la source vers l'élément récepteur, le corps transmetteur de lumière étant réalisé en une matière qui peut transmettre une lumière d'indice de réfraction N supérieur à l'indice de réfraction N 2 du liquide à examiner, tandis que la surface de paroi interfaciale du corps transmetteur de lumière par rapport au liquide à examiner forme un angle de telle sorte que l'angle d'incidence /3 de la lumièrese propageant en ligne droite le long de la face supé- rieure de la paroi d'entrée,devient plus grand que l'angle critique 0 la surface de paroi interfaciale a un contour semi-circulaire. 3 Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface de paroi interfaciale est masquée sauf une zone proche de l'entrée de lumière mentionnée. 4 Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'une fibre optique est prévue entre une source de lumière et l'entrée de lumière ainsi qu'entre la sortie de lumière et l'élément récepteur de lumière. Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps est constitué par du verre optique. 6 Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le corps est en matière plastique. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu une fibre optique, sensiblement parallèle au passage de la lumière, constitué par l'entrée de lumière, le corps transmetteur et la sortie de lumière, dans lequel la lumière se propage de la source de lumière vers l'élément récepteur de lumière, cette fibre optique reliant la source de lumière et l'élément récepteur de lumière, tandis qu'un dispositif atténuateur de lumière est prévu sur la fibre optique de manière à régler la lumière émanant de la source de lumière. 8 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps mentionné est immergé dans le liquide mentionné. 9 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un couplede bo 1 itiers placés l'un sur l'autre et reliés l'un à l'autre de façon ouvrante, le système optique étant disposé dans le bottier supérieur, tandis qu'une source d'énergie et un logement pour le liquide se trouvent dans le bottier inférieur. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le logement mentionné a un contour qui est complémentaire de la surface de paroi interfaciale précitée.