Brevet FR2529337A1 — publié le 19831230

a 1 La présente invention se rapporte à des appareils et procédés pour mesurer l'indice de réfraction de fluides et elle se rapporte plus particulièrement à des appareils et procédés pour effectuer de telles mesures en utilisant la déflectométrie de moiré. L'indice de réfraction d'un fluide fournit des infor- mations telles que la température, la pression, la cornpcsi- tion chimique de matières transparentes et en particulier de fluides transparents notamment des liquides, des gaz et des vapeurs Des mesures d'indice de réfraction sont utili- sées, par exemple dans l'industrie du traitement des pro- duits alimentaires,pour vérifier la composition de certains mélanges de saccharoses. Des techniques différentes sont actuellement utilisées pour mesurer les indices de réfraction des solides, des li- quides et des gaz Par exemple, on mesure habituellement les indices de réfraction des gaz par des procédés interféromé- triques tandis qu'on mesure habituellement ceux des liquides en utilisant un réfractomètre Abbe qui est basé sur la ré- flexion totale. Les procédés et appareils de la technique antérieure utilisés pour mesurer les indices de réfraction de fluides utilisent l'interférométrie pour mesurer les différences des chemins optiques parcourus par des rayons lumineux qui traversent les matières dont les indices de réfraction doivent être déterminés Le chemin optique est proportion- nel à l'indice de réfraction La précision des procédés de la technique antérieure est limitée par la diffraction La mesure des indices de réfraction des gaz est effectuée par interférométrie L'interférométrie nécessite une stabilité mécanique extrême Ainsi, par exemple, un appareil dont la stabilité mécanique est inférieure à 1/10 ème de la longueur d'onde de la lumière qui est utilisée est susceptible de pré- senter des erreurs cruciales En outre, il est nécessaire d'utiliser des conditions de laboratoire rigidement comman- dées pour l'emploi de l'équipement afin d'assurer la sta- bilité mécanique et la précision des mesures Ainsi, les ap- pareils ne peuvent être utilisés que par un personnel hau- tement qualifié Par conséquent, les appareils actuellement connus utilisés pour mesurer l'indice de réfraction de ma- tières sont soit d'un domaine d'application limité soit extrêmement onéreux. Par conséquent, l'un des buts de la présente invention est de réaliser de nouvaux appareils perfectionnés pcur dé- terminer les indices de réfraction de fluides dans lesquels les inconvénients ci-dessus mentionnés sont considérable- ment diminués voire supprimés. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide échantillon, cet appareil comprenant: une source de lumière collimatée; une cellule transparente pour contenir des fluides et défléchir la lumière qui la traverse; des moyens d'établissement de figures de moiré pour établir des figures de moiré en utilisant la lumière émise par la source de lumière collimatée et trans- mise à traversla cellule; des moyens pour superposer une première figure de moiré établie en utilisant les moyens dlétablissement de figures de moiré lorsque la cellule contient un fluide de référence ayant un indice de réfraction connu et une seconde figure de moiré déplacée en rotation par rapport à la première figure de moiré et établie en utilisant les moyens d'établissement de figures de moiré lorsque la cellule contient le fluide échantillon de façon ainsi à établir une troisième figure de moiré et des moyens pour mesurer des caractéristiques desdites figures de moiré, ces caractéristiques étant utili- sées pour mesurer l'indice de réfraction du fluide échantil- lon. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'ap- pareil comporte des moyens pour calculer l'indice de réfrac- tion du fluide échantillon en fonction des pas P et P' res- pectivement des seconde et troisième figures de moi- ré On peut calculer l'indice de réfraction au moyen de ce procédé que le fluide soit un gaz, un liquide ou une vapeur. Le procédé pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide échantillon comprend les étapes qui consistent: à préparer une figure de moiré en transmettant des rayons lumineux collimatés à travers un fluide dont on connait l'indice de réfraction; à défléchir cette figure en transmettant les rayons lumineux collimatés à travers un fluide dont l'indice de réfraction est inconnu; à mesurer la déflexion provoquée par le changement de fluide; et à calculer l'indice de réfraction en tant que fonction de la déflexion provoquée par le changement de fluide. Dans l'appareil, la cellule est originale, entre autres choses, en ce sens qu'elle est divisée en compartiments Les compartiments sont séparés par des moyens, tels que des len- tilles lesquelles, en combinaison avec les fluides contenus dans la cellule, défléchissent les rayons lumineux collima- tés Un mode de réalisation préféré de la cellule comprend un compartiment intérieur et un compartiment extérieur séparés par les lentilles. Une caractéristique de l'appareil et du procédé de l'in- vention est qu'ils peuvent être facilement rendus automa- tiques pour fournir des résultats"d'acceptation-refus" ou un afffichage automatique des indices de réfraction à un coût relativement faible et en ne nécessitant l'intervention que d'un personnel relativement non spécialisé. Selon une autre-caractéristique, l'invention a pour objet un appareil simplifié dans lequel les figures de moiré sont projetées sur un écran et un appareil photo- graphique est utilisé pour effectuer une double exposition des première et seconde figures de moiré de façon à obtenir la troisième figure de moiré et dans le- quel les caractéristiques du pas de la troisième figure de moiré peuvent être utilisées pour calculer l'indice de réfraction du fluide échantillon contenu dans la cellule. On reconnaitra que la cellule du mode de réalisation préféré peut être également utilisée dans les mesures interfé- r ométriques en particulier dans l'interférométrie de cisail- lement En outre, l'équipement et les procédés décrits ici fournissent des résultats d'essais en "temps réel". On comprendra mieux le fonctionnement et l'utilisation de la présente invention à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré considéré à la lumière des dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est un schéma-bloc simplifié qui représente un exemple d'un appareil utilisé pour déterminer l'indice de réfraction de fluide; la Fig 2 est une représentation des réseaux G 1 et G 2 utilisés pour établir les figures de moiré; la Fig 3 est une représentation graphique d'un angle va utilisé pour déterminer l'indice de réfraction; et la Fig 4 est une représentation de la troisième fi- gure de moiré utilisée pour déterminer l'indice de réfraction. On a représenté sur la Fig 1 un appareil 11 conçu pour mesurer l'indice de réfraction par déflectométrie de moirage. L'appareil comporte une source de lumière collimatée,désignée par la référence générale 12, une cellule conçue pour conte- nir le fluide dont l'indice de réfraction doit être mesuré, cette cellule étant désignée par la référence 13,une paire de réseaux G 1 et G 2 espacés l'un de l'autre d'une distance connue 4 et un récepteur de figure de moiré, tel qu'un écran S sur lequel la figure de moiré est projetée. Des moyens sont utilisés pour enregistrer l'image pro- jetée sur la Fig 1 Ces moyens ont été représentés par l'ap- pareil photographique 14 Des axes s'étendant dans les direc- tions X, Y et Z ont été représentés à des fins d'orientation et pour faciliter l'explication du fonctionnement de l'appa- reil Les axes X, Y et Z sont, naturellement, immaginaires. La source lumineuse collimatée 12 comprend une source lumineuse électrique 16 dont les rayons sont rendus paral- lèles par une lunette ou collimateur 17 qui comprend des lentilles L 1 et L 2 Le faisceau de lumière collimatée émis par le collimateur est dirigé vers la cellule 13 La cel- lule 13 est transparente de sorte que la lumière la traverse. Des moyens sont prévus pour dévier la lumière qui tra- verse la cellule Plus particulièrement, la partie inté- rieure 19 de la cellule est délimitée par une paire de len- tilles 21 et 22 à distance focale infinie. On doit comprendre que bien qu'on ait représenté des lentilles 21 et 22, on peut utiliser d'autres moyens pour infléchir les rayons lumineux de degrés fixes'et,par exemple, on peut même utiliser des panneaux transparents ou fenêtres inclinés formant un coin vide sans sortir du cadre de l'in- vention L'objet de la cellule est de permettre une compa- raison de la déflexion de la lumière collimatée obtenue lors- qu'on utilise un fluide dont on connait l'indice de réfrac- tion et celle obtenue lorsqu'on utilise un fluide dont on ne connait pas l'indice de réfraction. Le compartiment extérieur de la cellule, qui a été dé- signé par la référence 23, comporte des panneaux transparents ou fenêtres 24 qui peuvent s'étendre tout autour de la cel- lule L'entrée du compartiment intérieur 19 de même que celle du compartiment extérieur 23 peuvent être facilement obtu- rées d'une manière bien connue quelconque pour permettre de -remplir la cellule de gaz, de vapeurs ou de mélanges de li- quides et de gaz ou de vapeurs Les réseaux G et G 2 sont déplacés en rotation l'un par rapport à l'autre de sorte que l'angle que font les lignes d'un réseau avec celles de l'autre réseau est égal à e et,dans le mode de réalisation préféré,le pas des lignes du réseau G 1 est le même que celui des lignes du réseau G 2 et est égal à Po comme représenté sur la Fig 2 Les lignes des réseaux s'étendent dans le plan YZ, comme représenté sur la Fig 2. Nous référant à nouveau à la Fig 1, on remplit tout d'abord la cellule 13 d'une solution dont on connait l'indice de réfraction comme, de préférence, de l'eau, par exemple, à une température précise Le faisceau de lumière collimatée est transmis à travers la cellule 13, les réseaux G 1 et G 2 espacés l'un de l'autre d'une distance LÉ et est projeté sur l'écran S pour produire une figure de moiré ayant un pas P On remplit ensuite le compartiment intérieur 19 de la cellule avec un fluide échantillon ayant un indice de réfraction inconnu Si le fluide échantillon a un indice de réfraction différent de celui de l'eau, la figure de moiré sur l'écran est déplacée en rotation La rotation se produit du fait que la distance focale de la cellule est modifiée du fait du changement de l'indice de réfraction du fluide dans la cellule Par conséquent, le changement de dis- tance focale est fonction de l'indice de réfraction du fluide inconnu. Dans le mode de réalisation préféré, chacune des len- tilles 21 et 22 a ses deux rayons de courbure identiques, c'est-à-dire que ce sont toutes deux des lentilles de zéro dioptrie L'utilisation de lentilles de zéro dioptrie ac- croit la gamme dynamique de la mesure Ce n'est pas une ca- ractéristique nécessaire du procédé et de l'appareil mais c'est une caractéristique préférée On doit noter que si l'indice de réfraction du fluide contenu dans le compartiment exté- rieur et celui du fluide contenu dans le compartiment inté- rieur sont égaux, le faisceau de lumière collimatée qui tra- verse la cellule n'est ni déformé ni déplacé en rotation Ce- pendant, si l'indice de réfraction du fluide échantillon est supérieur à l'indice de réfraction du fluide de référence, il est formé une lentille positive ou convergente tandis que si l'indice de réfraction du fluide échantillon est inférieur à l'indice de réfraction du fluide de référence il est formé une lentille négative ou divergente. Etant donné que l'importance de la rotation de la fi- gure de moiré dans l'appareil est directement fonction de l'indice de réfraction du fluide contenu dans le comparti- ment intérieur, on peut déterminer l'indice de réfraction sim- plement en mesurant le changement du pas du réseau de la figure de moiré finalement produite On doit également 7. noter que l'on peut également mesurer l'importance de la dé- flexion ou rotation en mesurant la déformation effective d'une ligne de la figure de moiré dans la projec- tion effectuée sur l'écran dans un plan YZ Cependant, en utilisant un appareil photographique pour prendre des images des projections effectuées sur l'écran et en effec- tuant une double exposition on peut produire une autre fi- gure (troisième figure) de moiré En utilisant les pas Po des réseaux d'origine, le pas P de la figure de moiré d'origine lorsque la lentille est formée par un fluide dont l'indice de réfraction est connu, et le pas P' de la figure de moiré obtenu avec la double exposi- tion après que le fluide échantillon a été placé dans le com- partiment intérieur de la cellule, on peut calculer l'indice de réfraction du fluide. Le fait que la rotation de la figure fournit l'indice de réfraction désiré peut être démontré mathémati- quement Par exemple, l'équation générale d'une lentille est donnée par la formule suivante: 1 = (ns N) + (n N) s r 1 g r r 2 dans laquelle N est l'indice de réfraction du'verre, f est la distance focale de la lentille, ns est l'indice de réfrac- tion du fluide échantillon, N est l'indice de réfraction du r fluide connu ou de référence, r 1 est le rayon de courbure du côté échantillon et r 2 est le rayon de courbure du côté fluide de référence de la lentille contenue dans la cellule. L'indice de réfraction du verre et celui du fluide de référence restent constant pendant la mesure Par conséquent, on peut ramener l'équation de la lentille à: T = N /r 1 + C, C étant une constante Le changement de la distance focale fait tourner les figures de moiré. La Fig 3 représente cette rotation Une lentille idéale défléchit la rayon perpendiculaire de sorte qu'à un point don- né y' sur l'axe Y, le rayon atteint le foyer sur l'axe X. Pour une distance focale f donnée, l'angle de déflexion dans le plan XY, à un point y', est: O = arc tg ( figure de moiré d'une distance h donnée par l'é- quation suivante: h = O e dans laquelle Ad est la distance entre les réseaux ou h = A arc tg (y'/f) e Suivant une approximation valable pour les petits angles, on peut admettre que: arc tg ( = Cette équation donne de bons résultats avec une erreur maximale de 2,5 % pour 0 inférieur à 150 Par conséquent, h = tg K ou t\/fe Comme représenté sur la Fig 3, les nouvelles lignes de la fi- gure de moiré sont rectilignes et elles sont déplacées en rotation d'un angle " Des équations précédentes on peut tirer: n e tg" r 1 + C = aû Pour éliminer la constante C, on différencie cette der- nière équation afin d'obtenir une nouvelle équation: d (tg)= dn Gr 1 On notera que l'on peut effectuer de diverses manières la mesure de l'angleo( et le calcul de la différence entre l'indice de réfraction du fluide échantillon et l'indice de réfraction du fluide de référence en utilisant différents types de détecteurs de lumière connus. Lorsqu'on utilise une optique de seconde qualité, les figures ou franges de moiré sont quelque peu dé- formées et il est difficile de déterminer la valeur de l'angle o( en effectuant une mesure effective de la rotation par rapport à la frange de moiré d'origine et cette opéra- tion est susceptible d'erreurs Cependant,étant donné que la figure de-moiré est également un réseau, si on l'ex- pose deux fois,on obtient une autre figure de moiré produite par la superposition de la figure de moiré déplacée en rotation à la figure de moiré non dépla- cée en rotation des réseaux d'origine La nouvelle figure de moiré a un pas P' comme représenté sur la Fig 4. Les franges des lignes de la nouvelle figure de moi- ré sont plus droites que celles de la figure de moiré initiale du fait que la double exposition annulle les distorsions. On calcule facilement l'angle a à partir des équations suivantes: " = 2 sin 1 (P/2 p') L'angle e = 2 sin 1 (Po/2 P) En utilisant les équations ci-dessus, on peut démontrer que l'indice de réfraction du fluide échantillon est: r E tgd r e tg ( 2 sinl P/2 P) s 1 + 2 ou 1,3330 + 2 dans le cas o le fluide de référance est de l'eau et nr = 1,3330. L'image produite par une double exposition représentée sur la Fig 4 est, comme précédemment décrit, une autre figure de moiré Dans cette image, le pas P de la figure de moiré est présent dans les réseaux mais le nouveau pas P' est produit par rotation des réseaux Par con- séquent, en utilisant le procédé de double exposition,il suffit de mesurer P et P' et il faut, naturellement, con- naitre également l'indice de réfraction du fluide de réfé- rence pour obtenir l'indice de réfraction du nouveau fluide. On a effectué des mesures pour déterminer l'indice de réfraction de diverses solutions de saccharoses Ces essais ont donné des résultats voisins de ceux indiqués dans les manuels et de ceux obtenus en utilisant un réfractomètre Abbe 3 L de Bausch et Lomb. Lors de l'emploi de l'appareil, le technicien remplit tout d'abord la cellule 13 de fluide de référence et il met en fonctionnement la source de lumière collimatée La source de lumière collimatée est un laser au He Ne de 5 milliwatts et un collimateur formé par une lunette à miroir de 7,6 cm. Il projette la première figure de moiré sur l'écran S et l'enregistre (il la photographie) Il remplace le fluide de référence contenu dans le compartiment intérieur de la cellule 13 par un fluide échantillon et la lumière collimatée de la source est transmise à travers la cellule et projetée sur l'écran pour exposer une deuxième fois le film de sorte que la figure de moiré déplacée en rotation est su- perposée à la figure d'origine pour produire une figure de moiré finale Les pas P et P' sont obtenus à partir du film exposé deux fois L'indice de réfraction est calculé à partir des pas. A la place d'un appareil de photographie, on peut utili- ser un appareil, tel qu'un équipement vidéo ou un agencement d'acceptation-refus comportant un iris et un détecteur de lumière,pour déterminer si la déflexion atteint ou non une valeur prédéterminée. On doit noter que l'invention permet non seulement de calculer l'indice de réfraction du fluide échantillon mais qu'on peut également mesurer simultanément l'indice de ré- fraction de la vapeur ou du gaz situé au-dessus du fluide échantillon. Bien qu'on ait décrit ci-dessus les principes de l'in- vention en se référant à un appareil et à des applications spécifiques, il est bien entendu que cette description n'a été donnée qu'à titre de simple exemple et qu'elle ne doit pas être considérée comme limitant la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1 Un appareil pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide échantillon, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: une source ( 12) de lumière collimatée; une cellule ( 13) transparente conçue pour contenir des fluides et défléchir la lumière qui la traverse; des moyens (Gi G) d'établissement de figures pour établir une première figure en utilisant la lumière émise par la source de lumière collimatée et transmise à travers la cellule-alors qu'un fluide de référence y est contenu et une seconde fi- gure après avoir remplacé le fluide de référence par le- dit fluide échantillon; et des moyens (S, 14) pour mesurer le changement entre la première figure et la seconde figure afin de déterminer l'indice de réfraction du fluide échantillon. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'établissement d'une figure comprennent des réseaux de moiré (G 1, G 2) pour établir des figures de moiré. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens servant à mesurer le changement entre les figu- res comprennent des moyens pour superposer la première figure de moiré établie en utilisant la cellule ( 13) remplie de fluide de référence à la seconde figure de moiré établie en utilisant la cellule remplie de fluide échantillon pour obtenir une troisième figure de moi- ré; et en ce qu'il comporte des moyens pour mesurer des ca- ractéristiques des différentes figures de moiré afin d'obtenir l'indice de réfraction du fluide échantillon. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les première et seconde figures ont un pas P et la troisième figure a un pas P', et en ce qu'il comporte des moyens pour mesurer les pas P et P' afin de les utiliser pour calculer l'indice de réfraction du fluide échantillon. 5 Appareil selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risé en ce que la cellule ( 13) comporte un compartiment inté- rieur ( 19) délimité par des lentilles ( 21, 22). 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cellule comporte deux lentilles ( 21, 22), une de chaque côté du compartiment intérieur ( 19). 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux lentilles sont des lentilles de zéro dioptrie. 8 Appareil selon l'une des revendications 3 à 7, telles que dépendantes de la revendications 2, caractérisé en ce que les moyens de superposition comprennent un appareil photo- graphique ( 14) pour réaliser une double exposition de la première et de la seconde figures de moiré de façon ainsi à produire la troisième figure de moiré 9 Appareil selon l'une des revendications 2 et 3 à 8, telles que dépendantes de la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde figure de moiré est déplacée en rotation par rapport à la première figure de moi- ré. Un procédé pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide échantillon, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: à collimater une lumière émise par une source lu- mineuse; à transmettre cette lumière collimatée à travers un fluide de référence dont on connait l'indice de réfrac- tion; à utiliser la lumière transmise à travers le fluide de référence pour produire une première figure, à trans- mettre la lumière collimatée à travers le fluide échantillon dont on ne connait pas l'indice de réfraction pour produire une seconde figure modifiée par rapport à la première figure; à déterminer le changement de figure et à déterminer l'indice de réfraction du fluide échantillon à partir de la mesure du changement de figure 11 Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les figures précitées sont des figures de moiré et en ce que la seconde figure de moiré est défléchie par rapport à la première figure de moiré. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la déflexion précitée est une déflexion en rotation. 13 Procédé selon l'une des revendications 11 et 12, carac- térisé en ce qu'on superpose la première figure de moiré à la seconde figure de moiré pour obtenir une figure de moiré finale; on mesure le pas P' de la figure de moiré finale et le pas P de la pre- mière figure de moiré S et on utilise ces pas, en com- binaison avec l'indice de réfraction (nr) du fluide de réfé- rence pour obtenir l'indice de réfraction (ns) du fluide échantillon, et on utilise pour le calcul l'algorithme: r 1 e tg ( 2 sin P ns =nr + 2 i 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'on obtient la superposition précitée en exposant le même film à la projection des première et seconde figure de moiré. 15 Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, carac- térisé en ce qu'on obtient l'angle e en mesurant le pas d'origine des réseaux utilisés pour produire les figures de moiré conformément à l'équation: e = 2 sin 1 (Po/2 P). 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'on mesure les pas précités en superposant des réseaux ayant des pas connus au réseau de la troisième figure de moiré.