Brevet FR2549224A1 — publié le 19850118

Cette invention concerne la mesure par des moyens optiques de paramètres d'un fluide et, par là même, elle trouve une application dans tout contexte dans lequel un fluide, qui peut être un échantillon, 5 émet de la lumière dans des directions quelconques en réponse à un faisceau incident déterminé La lumière émise peut indiquer, par exemple, un effet de diffusion ou de fluorescence. Une catégorie particulière de mesure inté10 ressante est la néphélométrie et plus particulièrement la turbidimétrie des liquides Dans le néphélomètre classique, un faisceau de lumière incidente est envoyé à travers le liquide test de sorte que la lumière incidente est diffusée par des particules en suspen15 sion dans le liquide La lumière qui n'est pas diffusée ou qui est diffusée seulement suivant un angle très petit, poursuit sa trajectoire jusqu'à un détecteur de transmission à cellule photoélectrique. Le rapport de l'intensité détectée sur l'intensité 20 incidente, en tenant compte de la longueur du passage à travers le liquide, est considéré comme étant une mesure fiable de la turbidité du liquide, particulièrement pour un pouvoir de diffusion moyen. Dans le cas o le liquide test est contenu 25 dans une cellule échantillon, l'emploi d'une sphère d'intégration pour recueillir et mesurer la lumière diffusée est connu Cette sphère était, en premier lieu, utilisée pour recueillir une partie conique de la lumière diffusée Afin d'améliorer la sensibilité 30 pour des degrés très faibles de turbidité, le montage de la cellule échantillon sous la forme d'un tube droit transparent, diamétralement et à peu près entièrement à l'intérieur de la sphère d'intégration, a été proposé dans le brevet US-A-4 320 978 La lumière in- cidente est un faisceau collimaté d'une largeur correspondant à la section transversale intérieure de la cellule tubulaire et est totalement absorbée après une traversée, afin d'assurer que la lumière de transmis5 sion n'est pas variablement réfléchie ou diffusée en retour dans le liquide échantillon. La présente invention découle du fait qu'un instrument de mesure particulièrement simple et sensible, ayant l'application d'un néphélomètre, peut 10 être obtenu en appréciant l'utilité de la réflexion totale à l'intérieur de la cellule échantillon. En conséquence, l'invention fournit un appareil de mesure optique comprenant une cellule adaptée pour recevoir du fluide à tester, une source de lu15 mière disposée pour orienter un faisceau de lumière incident dans la cellule et des moyens pour détecter au moins une partie prédéterminée de lumière émise par un segment de la cellule transversalement à la direction du faisceau de lumière incident, caractérisé en 20 ce que la source de lumière et la cellule sont disposées de telle façon que la lumière incidente sur la cellule n'est pas collimatée mais est confinée dans la cellule, au moment o elle traverse ledit segment de la cellule, par réflexion totale interne à moins 25 qu elle ne soit, par ailleurs, diffusée, par des particules dans la cellule. Le segment de la cellule peut, bien entendu, comprendre la totalité de la cellule. L'appareil peut, en outre, comporter une 30 ouverture à travers de laquelle le faisceau de lumière incident diverge dans ou vers la cellule suivant un angle inférieur à l'angle critique pour la réflexion totale interne dans la cellule. De préférence, la lumière incidente est agencée pour traverser le segment de la cellule plus d'une fois Ceci peut être réalisé er conformant la cellule échantillon en un tube hélicoïdal ou en plaçant des réflecteurs aux extrémités opposées d'une cellule allongée et droite. Les moyens de détection comprennent avantageusement une sphère d'intégration creuse ou un ellipsoide renfermant le segment de la cellule et un détecteur sensible à la lumière, adjacent à ou disposé 10 sur la surface intérieure de la sphère ou de l'ellipsoide. L'invention fournit aussi un procédé pour effectuer la mesure par des moyens optiques d'un paramètre d'un fluide, caractérisé en ce qu'il com15 prend les étapes suivantes: orienter une lumière incidente non collimatée dans une cellule qui contient le fluide de telle façon que, au moment o elle traverse un segment de la cellule, la lumière est confinée dans la cellule par réflexion totale interne a 20 mcins qu'elle ne soit, par ailleurs, diffusée par des particules dans la cellule, et détecter au moins une partie prédéterminée de la lumière émise par le segment de la cellule. L'invention va etre décrite dans la suite, 25 uniquement à titre d'exemple, et en référence au dessin sur lequel les Figures 1, 2 et 3 illustrent schématiquement, en coupe transversale partielle, trois modes de réalisation de l'appareil conforme à l'invention, destinés en premier lieu à être utilisés 30 comme des néphélomètres, Sur le dessin, les éléments identiques sont désignés par les mêmes références numériques aux endroits ou cela est approprié. L'appareil de mesure 10 représenté sur la Figure 1 comprend une cellule 12 tubulaire, hautement transparente et allongée, s'étendant à travers une sphère d'intégration 14 de telle façon que l'axe de la cellule coincide avec un diamètre de la sphère Une source de lumière 16 convenable est disposée sur l'axe 5 de la cellule 12 de façon à orienter un faisceau non collimaté 5 de lumière incidente à travers une ouverture 20 formée dans le dos argenté d'un réflecteur en verre 22 qui obture une extrémité de la cellule. L'autre extrémité de la cellule est obturée par un 10 second réflecteur en verre 23 à dos argenté qui est similaire au réflecteur 22 exception faite de son argenture qui n'a pas d ouverture centrale Les reflecteurs 22, 23 renvoient dans la cellule la lumière qui atteint les extrémités de la cellule. La cellule 12 est pourvue d'orifices d'entrée et de sortie, respectivement 24; 25 adjacents à ses extrémités, par lesquels un fluide, typiquement un liquide, peut être admis ou extrait de la cellule. La sphère d'intégration 14 est un piège à 20 lumière opaque muni d'un détecteur à cellule photoélectrique 26 en un point, sur sa surface intérieure. A peu près toute la lumière émise par un segment 13 de la cellule 12 est éventuellement reçue par le détecteur 26 De telles sphères, qui sont destinées à pré25 senter une absorbtion négligeable ou minimale de la lumière intérieure, sont considérées comme fournissant une mesure fiable de l'intensité totale de la lumière présente à l'intérieur de celles-ci La cellule photoélectrique 26 est reliée électriquement à un circuit 30 28 étalonnable d'une conception conventionneile pour fournir un signal de sortie, de préférence à lecture directe, représentatif de l'intensité de la lumière reçue par le détecteur 26. La source 16 et l'ouverture 20 sont dis- posées de telle façon que la lumière incidente admise dans la cellule 12 est, par la suite, transmise et retransmise, par réflexion sur les réflecteurs 22, 23, à l'intérieur de la cellule et à moins qu'elle ne 5 soit, par ailleurs, diffusée par des particules dans le liquide, sera confinée dans la cellule en vertu de la réflexion totale interne au niveau de l'interface 15 verre-air sur la surface extérieure cylindrique de la cellule Cet effet, qui est illustré pour un 10 faisceau 5 de lumière incidente en 5 a sur la Figure 1, se reproduira à condition que l'angle maximum de la lumière admise par l'ouverture 20, par rapport à la surface intérieure de la cellule, soit nettement inférieur à l'angle critique au niveau de l'interface 15 verre-air, en tenant compte de la réfraction à l'interface 11 verre-liquide intérieure Avec de nombreux liquides ayant des indices de réfraction similaires à celui du verre, la part de la prise en compte de la réfraction à l'interface 11 peut être petite ou nulle 20 mais ce ne peut être le cas avec des fluides à faible indice de réfraction tels que des gaz Pourvu que la lumière non diffusée soit confinée de cette manière au moins au niveau du segment 13 de la cellule, la seule lumière qui s'échappera vers l'intérieur de la sphère 25 d'intégration 14 et ainsi vers le détecteur 26, sera, avec un choix approprié de longueur d'onde, la lumière diffusée par les particules dans le liquide Une telle lumière est illustrée, à titre d'exemple, par les rayons 6, 7 sur la ligne 1. Du fait que la totalité de la lumière diffusée en tout point d'une partie substantielle de la cellule 12 est recueillie, l'intensité mesurée par le détecteur 26 est considérée comme étant une mesure très fiable de la turbidité, c'est-à-dire de la den- sité de particules dans le liquide En outre, du fait qu il y a une récupération sphérique sur 360 de la lumière diffusée l'appareil reste très sensible même pour de très faibles turbidités Le circuit 28 peut 5 être étalonné et fournir ainsi une indication directe de la turbidité en référence à un liquide de turbidité standard telle que la formazine. Dans le dispositif représenté sur la Figure 1, la lumière provenant de la source 16 est tellement 10 dispersée par l'ouverture 20 que la seule lumière qui entre dans la cellule est la lumière qui a un angle tel par rapport à la paroi cylindrique de la cellule qu elle est réfléchie intérieurement totalement D'un autre côté, la longueur de la cellule à l'extérieur de 15 la sphère d'intégration 14 pourrait être disposée de telle façon que la lumière qui entre dans la cellule suivant un angle trop grand par rapport à la paroi de la cellule pour une réflexion totale interne aura à traverser la paroi avant d'atteindre le segment 13 de 20 la cellule à l'intérieur de la sphère d'intégration, Il y a d'autres méthodes d'obtention du même effet, par exemple la transmission de la lumière incidente le long d'un tube lumineux de même indice de réfraction que les parois en verre de la cellule. On comprendra que la cellule 12 devra être exempte de défauts tels que des bulles, des occlusions et des hétérogénéités d'indice de réfraction, puisque ces défauts engendreront eux-memes la diffusion de la lumière traversant la cellule. La Figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention On voit un appareil 10 ' dans lequel de multiples traversées par la lumière incidente, non diffusée par rapport à la sphère 14 ', sont obtenues en conformant la cellule en un tube hélicoidal 12 à l'intérieur de la sphère. La sensibilité de l'un ou l'autre des modes de réalisation peut être accrue en employant comme source 16 de lumière, un laser à gaz ou un laser à 5 diode à semi-conducteur pour augmenter nettement la puissance de la source de lumière, et/ou en découpant la lumière incidente de telle façon que le rapport signal sur bruit puisse être augmenté en utilisant une détection sensible à la phase qui discrimine le bruit. 10 Un tel découpage peut être réalisé électriquement si un laser à diode est employé ou mécaniquement dans le cas d'un laser à gaz. On s'aperçoit à la lecture de la description ci-dessus que l'appareil décrit et le procédé pour sa 15 mise en oeuvre peuvent être employés a des fins autres que la néphélométrie Par exemple, avec un équipement accessoire approprié, le dispositif est capable d'optimiser la mesure de la fluorescence Dans cette application, la lumière d'e>xcitation, par exemple, un 20 rayonnement ultra-violet, est confinée dans la cellule tubulaire, mais la lumi re émise suivant un angle, par rapport à la paroi de la cellule, qui est plus grand que l'angle critique pour la ré-Flexion totale interne 'au niveau de l'interface extérieur, s'échappera Le 25 mode de réalisation de la Figure 2 est particulièrement adapté pour les applications de la fluorescence. Dans une application industrielle, un appareil tel que ceux des Figures 1 et 2, peut être une installation in situ à travers laquelle un liquide en 30 provenance d'un processus contrôlé circule en permanence et un paramètre, par exemple, la turbidité est observé de manière continue D'un autre côté, l'appareil peut être employé comme un simple analyseur d'échantillon et il peut alors être adapté pour auto- matiser la circulation d'échantillons successifs à travers la cellule Ceci peut être réalisé de différentes façons, par exemple, en transportant les échantillons sous la forme de portions discrètes de 5 liquide séparées par des bulles d'air ou par un autre fluide immiscible tel que de la paraffine Chaque échantillon peut être suivi par un échantillon d'eau distillée pour nettoyer la cellule des contaminations, dans ce but, des dispositions telles que, des extré10 mités amovibles ou un dispositif de nettoiement à ultra-sons, peuvent être mises en place pour nettoyer minutieusement et régulièrement l'intérieur de la cellule. Si les échantillons circulent sous la forme 15 de portions discrètes de liquide séparées par des bulles d'air, il sera préférable d'incliner l'axe de la cellule échantillon afin d'éviter les bulles bloquantes, car les bulles sont d'excellents diffuseurs et conduiraient à des résultats trompeurs Un autre 20 mode de circulation des échantillons pourrait être basé sur le principe de l'autosyphon Dans un tel cas, la cellule tubulaire est inclinée et remplie par le bas jusqu'à un niveau de trop- plein critique à partir duquel une purge automatique se produit. Un troisième mode de réalisation d'un appariel 10 " selon l'invention utilisant le-principe de l'autosyphon est représenté sur la Figure 3 Dans ce cas, une cellule tubulaire 12 " est disposée de telle façon que son axe soit vertical et repose sur un socle 30 comprenant un réflecteur 23 " en verre à dos argenté. La lumière incidente est introduite par le dessus, le long d'une tige 30 de verre qui passe à travers un écran noir 32 disposé au-dessus du sommet ouvert de la cellule 12 " Un liquide échantillon est introduit dans un tube 34 jusqu'à un niveau B situé juste en-dessous du sommet de la cellule afin d'être admis par le bas de la cellule Un tube 36 autosyphon en U inversé est relié au tube 34 à un niveau C situé en-dessous du bas 5 de la cellule 12 ", tourne à la hauteur du niveau B et s'ouvre à la hauteur d'un niveau D situé en-dessous du niveau C. Le liquide est pompé sur la longueur du tube 34 jusqu'au niveau A en recouvrant l'extrémité 31 de 10 la tige 30 en verre Ceci apporte l'avantage que l'interface de la lumière incidente dans le liquide est toujours optiquement plate et invariante, exprimée en tension de surface ou analogues Le niveau A est entretenu jusqu'à ce que la mesure soit effectuée et 15 le pompage est alors repris, purgeant ainsi à la fois la cellule 12 " et le tube 34 d'alimentation. Ce troisième mode de réalisation simplifie le nettoyage dans la mesure o la tige de verre est amovible et peut être replacée exactement dans la même 20 position par positionnement cinématique et le reste de l'appareil peut être nettoyé par des techniques dites de "nettoyage de tube" La tige 30 de verre qui agit comme un tube lumineux a, de préférencee, le même indice 16 de réfraction que la cellule tubulaire 12 " de 25 sorte qu'il répand tous les rayons de la lumière incidente en dehors de l'angle critique pour la réflexion totale interne. L'écran 32 empêche cette lumière de pénétrer dans le liquide et s'échappe ainsi à travers les pa30 rois de la cellule Les quelques millimètres d'extrémité de la tige 30 peuvent être avantageusement recouverts d'argent et l'argenture recouverte par un polymère inerte afin d'empêcher les variations dues aux différences de niveau ou à la différence de mé- nisque, de déplacement en déplacement, encore que la face avant 31 de la tige dans le liquide soit exempte d argent ou de polymère. En s'appuyant sur la réflexion totale inter5 ne plutôt que sur la collimation de la lumière incidente, les modes de réalisation décrits éliminent la nécessité, telle que par exemple dans le dispositif de US-A4 320 978, de pièces optiques supplémentaires ou de la précision dans la disposition des composants En 10 outre la réflexion totale interne et la traversée multiple autorisent des accroissements avantageux de la longueur de passage et, de plus, de la sensibilité de la mesure En s'appuyant sur la réflexion totale interne de la lumière non collimatée, cela permet 15 d'utiliser, en particulier, un tube hélicoidal pour obtenir des traversées multiples à l'intérieur de la sphère d'intégration; option qui n'est pas possible avec la lumière collimatée. 1 1 REVENDICATIONS 1 Appareil de mesure optique comprenant une cellule ( 12, 12 ', 12 ") adaptée pour recevoir du fluide à tester, une source ( 16, 16 ', 16 ") de lumière 5 disposée pour orienter un faisceau ( 5) de lumière incidente dans la cellule ( 12) et des moyens ( 26, 28) pour détecter au moins une partie prédéterminée de lumière émise par un segment ( 13) de la cellule transversalement à la direction du faisceau ( 5) de lumière 10 incident, caractérisé en ce que la source ( 16) de lumière et la cellule ( 12) sont disposées de telle façon que la lumière incidente sur la cellule ( 12) n'est pas collimatée mais est confinée dans la cellule ( 12), au moment o elle traverse ledit segment ( 13) de la cel15 lule ( 12), par réflexion interne totale à moins qu'elle ne soit, par ailleurs, diffusée par des particules dans la cellule ( 12). 2 Appareil de mesure optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu une 20 ouverture { 20) à travers laquelle le faisceau ( 5) de lumière incident diverge dans ou vers la cellule ( 12) suivant un angle inférieur à l'angle critique pour la réflexion totale interne dans la cellule ( 12). 3 Appareil de mesure optique suivant la 25 revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un circuit ( 28) étalonnable est disposé pour fournir un signal de sortie qui indique l'intensité de ladite partie de lumière émise par le segment ( 13) de la cellule ( 12). 4 Appareil de mesure optique suivant la 30 revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens de traversées multiples par lesquels la lumière incidente traverse le segment ( 13) de la cellule ( 12) plus d'une fois. Appareil de mesure optique suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de traversées multiples comprennent des réflecteurs ( 22. 23) disposés aux extrémités opposées de la cellule ( 12) allongée et droite. 6 Appareil de mesure optique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de traversées multiples comprennent une cellule ( 12 ') échantillon tubulaire hélicoïdale7 Appareil de mesure optique suivant l'une 10 quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent une sphère ( 14) d'intégration creuse ou un ellipsoïde renfermant le segment 8 Appareil de mesure optique suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la cellule ( 12) est un tube allongé et en ce que les moyens de détec20 tion comprennent une sphère ( 14) d'intégration creuse, l'axe de la cellule ( 12) tubulaire étant à peu prés en coincidence avec un diamètre de la sphère ( 14 >. 9 Appareil de mesure optique suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 25 en ce que la cellule ( 12) comprend des orifices d'entrée ( 24) et de sortie Procédé pour effectuer une mesure par 30 des moyens optiques d'un paramètre d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: orienter une lumière incidente non collimatée dans une cellule ( 12) qui contient le fluide de telle façon que, au moment o elle traverse un segment ( 13) de la cellule, la lumière est confinée dans la cellule ( 12) par réflexion totale interne à moins qu'elle ne soit, par ailleurs, diffusée par des particules dans la cellule ( 12), et détecter au moins une partie prédétermi5 née de la lumière émise par le segment ( 13) de la cellule ( 12) transversalement à la direction de la lumiére incidente.