Brevet FR2583164A1 — publié le 19861212

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer la couleur et la turbidité d'un fluide confiné par une paroi, par exemple celle d'une encein te ou d'une canalisation (tuyauterie, pipeline, canal, réser voir, récipient, etc. à la pression atmospherique ou sous pression). L'invention s'applique notamment au contrôle du transport par oléoduc de produits pétroliers liquides tels qu'essence ordinaire ou super carburant, gazole, fuel domestique, etc. La meme canalisation peut servir à transporter successivement l'un ou l'autre de ces produits. I1 est donc intéressant de pou voir déterminer quelle est la couleur du produit ou du mélan- ge de produits qui passe à un instant donné dans une section donnée de canalisation. La présente invention permet de réaliser les opé rations à distance, sans prélèvement, de façon étanche et en sécurité (élément détecteur ne comportant ni énergie électri- que, ni point chaud), par détermination des composantes tri chromatiques, de la diffusion à 900 et de la transmission afin de mesurer la couleur, la turbidité et l'opacité du produit. L'invention concerne à cet effet un procédé pour déterminer la couleur et la turbidité d'un fluide confiné par une paroi, par exemple celle d D uns enceinte ou d'une ca- nalisation, consistant à projeter un faisceau de lumière blanche dans le fluide à l'aide d'une première fibre optique, à recueillir la lumière du faisceau après trajet dans le fluide à l'aide d'une deuxième fibre optique, à assurer la dispersion chromatique de la lumière recueillie par la deu xième fibre pour former un spectre linéaire, à analyser le spectre obtenu par mesure de l'intensité lumineuse relative de ses composantes et à déterminer en fonction de cette ana lyse la couleur du fluide. Selon l'invention, ce procédé consiste en outre à mesurer le taux de lumière du faisceau diffusé latéralement dans le fluide à l'aide d' une troisième fibre opti que, pour déterminer la turbidité du fluide. I1 est ainsi possible, selon l'invention, de détecter la turbidité éventuelle d'un fluide, qui est révélatrice de la présence de particules ou de bulles dans le fluide cette détection fournit donc une information sur l'homogene- ité et la propreté du fluide transporté. De plus, seule la mesure du taux de lumière diffusée latéralement par rapport au faisceau projeté permet de détecter avec certitude cette turbidité et de distinguer un fluide trouble d'un fluide opaque. En effet, la mesure de la lumière transmise selon l'axe du faisceau, notamment dans le domaine de l'infra-rouge proche, ne permet pas de distinguer un fluide trouble d'un fluide opaque au rayonnement lumineux utilisé : dans les deux cas, on constate une forte diminution de la lumière transmise. En revanche, seul le fluide trouble est capable de diffuser latéralement une importante quantité de lumière. Toutefois, dans le cas par exemple des produits pétroliers qui sont -à quelques exceptions près- transparents à un rayonnement dans le proche infrarouge (longueur d'onde comprise entre 0,75 et 0,85 m), la mesure de l'atte- nuation pour ce rayonnement, dans l'axe du faisceau lumineux, permettra de déterminer la turbidité du produit. La lumière blanche projetée dans le fluide inclut en effet des composantes dans le proche infrarouge. Avantageusement, on peut allonger par réflexion le trajet local du faisceau lumineux au sein du fluide. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre,par exemple,pour assurer la discrimination entre des fluides différents circulant séquentiellement dans une conduite, ou encore pour déterminer les variations de niveau de l'interface entre des fluides différents contenus dans un récipient, etc. L'invention concerne aussi un dispositif pour déterminer la couleur et la turbidité d'un fluide confiné par une paroi, par exemple celle d'une enceinte ou d'une canalisation, comportant - une première fibre optique dont une extrémité est couplée à une source de lumière blanche et dont l'autre extré- mité est couplée à un premier système optique pour émettre un faisceau de lumière dans le fluide - une deuxième fibre optique dont une extrémité est couplée au premier système optique pour recueillir le faisceau de lumière après trajet dans le fluide, et dont l'autre extrémité est couplée à un organe de dispersion chromatique de la lumière recueillie formant un spectre linéaire - un détecteur linéaire multipoint recueillant le spectre pour mesurer l'intensité lumineuse relative en chacun de ses points ; et - des moyens de traitement des informations issues du détecteur multipoints pour déterminer en fonction de cette mesure la couleur du fluide. Selon l'invention, ce dispositif comporte en outre une troisième fibre optique dont une extrémité est couplée à un second système optique pour recueillir la lumière du faisceau diffusée latéralement dans le fluide, et dont l'autre extrémité est couplée à un instrument pour mesurer cette lumière diffusée de manière à déterminer la turbidité du fluide. De préférence, les premier et second systèmes optiques sont disposés dans une sonde immergée dans le fluide, cette sonde présentant des parois délimitant un passage traversé par le faisceau lumineux et baigné par le fluide, le premier système optique comprenant - au moins deux lentilles adjacentes à l'une des parois et couplées respectivement aux première et deuxième fibres optiques - un hublot monté dans cette première paroi, au droit des lentilles - un organe réfléchissant monté en regard du hublot dans une paroi opposée à cette première paroi, pour renvoyer le faisceau de lumière vers le hublot; et le second système optique comprenant - au moins une troisième lentille qui est adjacente à une paroi perperdiculaire aux deux précédentes et qui est couplée à la troisième fibre optique; et - un hublot monté dans la paroi perpendiculaire au droit de la troisième lentille. Avantageusement, les trois fibres optiques traversent la paroi de confinement au fluide. I1 peut être prévu une traversée unique et étanche pour les trois fibres optiques. En outre, les extrmltés des trois fibres optiques disposées dans la sonde peuvent être parallèles entre elles, le second système optique comprenant en outre un organe réfléchissant de renvoi à 900 de la lumière diffusée, qui est placé sur le trajet optique entre le fluide et l'extrémité de la troisième fibre optique. De préférence, l'organe réfléchissant du premier système optique est un coin de cube dont la face diagonale est sensiblement normale aux extrémités des première et deuxième fibres. De la même façon, l'organe réfléchissant du second système optique peut être un coin de cube. Le détecteur linéaire multipoint peut être un détecteur caméra-ligne. De préférence, il est associé à un atténuateur dégradé permettant de corriger les différences de rendement spectral du dispositif (source, fibres, organe de dispersion, détecteur) entre le rouge et le bleu. Avantageusement, un interface électronique à horloge programmable permet d'ajuster le temps d'intégration du détecteur linéaire multipoints en fonction du coefficient de transmission du milieu analysé. Cet interface électroniaue est associé à un calculateur. Du fait que la sonde de mesure n'exige aucune énergie électrique et n'est le siège d'aucun point chaud, le procédé et le dispositif selon l'invention trouvent une application privilégiée pour l'étude de fluides en atmosphère explosive ou explosible. La description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. I.a figure I cst une vue sthómatique d'un dispositif selon l'invention La figure 2 est une vue de détail, en coupe longitudinale, d'une sonde de mesure selon l'invention, implantée dans une canalisation La figure 3 est une vue schématique d'un récipient contenant deux liquides et équipé d'une sonde selon lzinven- tion. Sur la figure 1 est représentée, en section transversale, une canalisation 1 pouvant être parcourue par un liguide dont on souhaite contrôler la couleur et la turbidité à tout instant. Une source de lumière blanche 2 ( lampe à arc sous atmosphère xénon par exemple) est associée a une optique 3 permettant de focaliser le faisceau de lumière blanche sur 1'extrémité d'entrée 4a d'une première fibre optique 4. Cette première fibre optique 4 Fénètre dans la canalisation 1 et déuce à l'intérieur d'une sonde 10 implantée dans la canalisation 1 de façon étanche. La sonde 10 présente un passage 21 baigné par le liquide. L'extrémité de sortie 4b de la première fibre optj- que 4 est associée à une optique 5 disposée dans la sonde 10 pour envoyer, à travers un hublot 22, un faisceau de lumière blanche dans le liquide se trouvant dans le passage 21, en direction d'un organe réfléchissant 6. Cet organe réfléchissant est également disposé dans la sonde 10 : il se présente de préférence sous la forme d'un coin de cube, lequel permet d'obtenir des tolérances de positionnement relativement importantes pour les composants optiques. L'organe réfléchissant 6 revoie le faisceau de lumière, décalé par rapport au faisceau incident et en sens ir.erse, au travers du liquide puis du hublot 22. Une optique 7 disposée sur le trajet du faisceau réfléchi permet de focaliser celui-ci sur l'extrémité d'entrée 8a d'une deuxième fibre optique 8 ; cette extrémité d'entrée 8a est disposée à l'intérieur de la sonde 10 au voisinage de l'extrémité de sortie 4b de la première fibre optìclve 4. La deuxième fibre optique 8 sort de la canalisation 1 pour emmener la lumière en dehors de celle-ci. L'ensemble défini par les optiques 5 et 7, le hublot 22 et l'organe réfléchissant 6 constitue un premier système optique disposé dans la sonde 10. L'extrémité de sortie 8b de la deuxième fibre optique 8 est associée à une opticue 9, un organe 11 (un prisme par exemple) de dispersion chromatique de la lumière po1:. fcrmer un spectre linéaire, une optique 12 et un détecteur linéaire multipoint 13 permettant d'analyseur ce spectre linéaire. Le détecteur linéaire multipoint 13 est notamment un détecteur caméra-ligne. Les informations délivrées par le détecteur linéaire multipoints 13 sont envoyées vers un calculateur 15 au travers d'un interface électronique 14 comprenant principalement un convertisseur analogique-numérique et une horloge programmable. Avantageusement, le détecteur linéaire multipoints 13 peut comporter, contre sa face réceptrice du spectre de la lumière, un atténuateur dégradé 16 permettant de corriger es différences de rendement lumineux du système entre le bleu et le rouge. En effet, en raison de cette inhomoqénéite de transmission, due en particulier aux caractéristiques d'émission de la source de lumière blanche 2. à l'atténua- j on spectrale des première et deuxième fibres optiques 4 et 8 et à la sensibilité du détecteur linéaire mustipoint 13, la transmisssion est quatre à cinq fois plus grande dans oe rouge que dans le bleu. En utilisant un atténuateur dégrade 16 ayant par exemple un coefficient de transmission de 10C % dans le bleu ( = 0,4 Fm) et de 2C 9 dans le rouge (1 = 0,8 em), les différences de rendement seront sensiblement corrcees et la répétabilite de la mesure améliorée. Le dispositif selon l'invention permet de reconnaître à tout instant la couleur du produit circulant dans la canalisation 1. En effet, la lumière ayant traversé le produit a un spectre représentatif de sa couleur, celle-ci étant baisement déterminée grâce au détecteur linéaire multipoint 13 et aux moyens de traitecerit constitués par l'interface électronique 14 et par le calculateur 15. La reconnaissance de la couleur permet dtidentifier la nature Gu produit c:R. cv: mélange de produits circulant dans la canalisation. On s'affranchira de la turbidité éventuelle du produit en jouant sur le temps d'intégration du détecteur linéaire multipoint 13, grâce à l'horloge programmable de l'interface électronique 14. De façon très avantageuse, le dispositif selon l'invention permet non seulement de déterminer la couleur du produit circulant dans la canalisation 1, mais aussi de déterminer la turbidité éventuelle de celui-ci, et notamment de distinguer un produit trouble d'un produit opaque au rayonnement lumineux utilisé. A cet effet, un hublot 18 associé à une optique 17 et disposé à l'intérieur de la sonde 10, au droit du passage 21 baigné par le liquide, permet de recueillir la lumière dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du faisceau de lumière incident introduit dans la canalisation par la première fibre optique 4. Cette lumière est envoyée dans une troisième fibre optique 19 associée à un instrument de mesure de la lumière 20 (photodiode à avalanche ou photomultiplicateur, par exemple). L'ensemble défini par le hublot 18 et l'optique 17, constitue un second système optique, disposé dans la sonde 10. Des essais en laboratoire effectués au moyen de ce dispositif à trois fibres optiques ont permis de mettre en évidence la nécessité de disposer de la troisième fibre optique pour distinguer un produit trouble d'un produit opaque au rayonnement lumineux utilisé. Hour différents produits, il a été mesuré le coefficient T de transmission dans le proche infrarouge (0,75 à 0,85 film) au moyen de la deuxième fibre optique, et le flux D de lumière diffusée à 900 au moyen de la troisième fibre optique Les produits testés entaient de deux catégories - des produits troubles obtenus par addition d'eau dans différents produits pétroliers (ctest- -dire des produits transparents dans le proche infra-rouge), et brassage par un système à turbine - des produits opaques obtenus par addition de pétrole brut dans ces mêmes produits pétroliers. Les essais ont concerné trois produits pétroliers - le naphta, produit incolore - le gas-oil, produit jaune - le fuel domestique, produit rouge Les résultats d'essais concernant les deux premiers produits sont indiqués ci-dessous C : concentration volumique en eau eau (à titre indicatif) en % Cbrut : concentration volumique en brut en % T : transmission dans le proche infrarouge en % D : diffusion à 900 exprimée en mV, tension de sortie du photomultiplicateur utilisé. A. Produits troubles A.1. - Eau dans un produit incolore (naphta) C T D eau O,OQ 100 7 0,01 95 40 0,10 80 60 0,50 20 55 1,00 4 60 A.2. - Eau dans un produit jaune (gas-oil) C eau T D 0,00 100 8 0,01 51 40 0,05 ll 40 0,10 0,04 30 B. Produits opaques B.1. - Brut dans un produit incolore (naphta) Cbrut T D 0 100 7 0,1 60 6 0,5 6 5 1,0 0,2 5 B.2. - Brut dans un produit jaune (gas-oil) Cbrut T D 0 100 7 0,1 90 5 0,2 64 5 0,5 32 8 1,0 13 4 D'après les résultats ci-dessus, il apparaît que la transmisssion T dans le proche infrarouge décroît lorsque - la turbidité du produit s'accroît (concentration en eau augmentant) - l'opacité du produit s'accroît (concentration en brut augmentant). La mesure seule de la transmission T ne peut donc etre un critère pour différencier un produit trouble d'un produit opaque. Par contre, il apparaît une différence minimale d'un facteur d'ordre 4 entre la lumière D diffusée à 900 par un produit opaque (Dmaximale = 8)et par un produit trouble (D minimale = 30) La troisième fibre, transmettant la lumière diffusée à 900, est donc nécessaire pour distinguer un produit trouble d'un produit opaque. Dans le cas particulier des produits transparents dans le proche infrarouge, la mesure de l'atténuation éventuelle pour ce rayonnement, dans l'axe du faisceau, sera une mesure représentative de la turbidité de ces produits : l'atténuation observée ne pourra en effet correspondre qu'à une diffusion de de la lumière. Pour ce type do produits, l'emploi de la troisième fibre optique et du second système optique ne sera donc pas nécessaire. On remarquera que l'ensemble des mesures est effectué à partir d'une sonde ne comportant pas d'énergie électrique ni point chaud et pouvant,en conséquence, être installée en atmosphère explosible ou explosive (définies, par exemple, par les normes AFNOR NFC 23.514 ou CENELEC 50014). Les fibres peuvent avoir de grandes longueurs, ce qui permet d'effectuer le traitement des informations en un point éloigné du point de mesure, et par conséquent dans des conditions de sécurité et de confort plus facile à obtenir que sur le lieu même de la mesure. Sur la figure 2 est représentée, en coupe transversale, une canalisation 31 de section circulaire. Cette canalisation 31 est pourvue d'un accès latéral, sous la forme d'un piquage constitue par un manchon cylindrique 32 dispose per pendiculairement à l'axe longitudinal de cette canalisation 31. Le manchon cylindrique 32 se termine par une bride 33 sur laquelle est fixée de façon étanche, par son embase 34 et au moyen de boulons une sonde de mesure 30. La sonde de mesure 30 comprend principalement un corps 35 cylindrique creux, de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre intérieur du manchon cylindrique 32,disposé dans ce manchon et fixé de façon étanche à l'embase 34. L'ex extrémité du corps de sonde 35 opposée à l'embase 34 porte deux embouts d'extrémité de fibre optique 36, 37 juxtaposés et disposés parallèlement à l'axe longitudinal du corps de sonde 35. Devant les embouts d'extrémité de fibre 36, 37 sont disposées deux lentilles 38, 39, et devant celles-ci un hublot 40 fermant de façon étanche le corps de sonde 35. Sur la paroi latérale extérieure du corps de sonde 35 est pratiqué un méplat 41 destiné à recevoir une platine 42 en forme générale de plaque. La platine 42 se prolonge à l'intérieur de la canalisation 31, au-delà du corps de sonde 35, et elle porte à son extrémité correspondante une tête de sonde 43. La tête de sonde 43 est équipée d'un organe réfléchissant sous la forme d'un prisme en coin de cube 44, dont la face diagonale fait face au hublot 40. Les parois respectives du hublot 40 et du prisme 44 disposées-en regard définissent, avec la portion de paroi de la platine 42 située entre eux, et perpendiculairement à ces parois, un passage 45 traversé par un fluide qui s'écoule dans la canalisation 31. La face libre de la platine 42 porte un embout d'extrémité de fibre optique 46 qui est parallèle aux deux embouts 36, 37 logés dans le corps de sonde 35. L'embout d'extrémité 46 est couplé optiquement avec le passage 45 par une lentille 47, un prisme en coin de cube de renvoi à 900, et un hublot 49 qui débouche de façon étanche dans le passage 45. La sonde 30,telle que définie precedemment,est reliée à un système d'acquisition de données, du type de celui décrit en relation avec la figure 1, au moyen de trois fibres optiques 50, 51, 52. Ces fibres sont, à l'extérieur de la sonde 30, protégées par une gaine appropriée 53, cette gaine débouchant dans le ccrps de sonde 35 au moyen d'une traversée étanche 54 fixée sur l'embase 34 de la sonde 30. Les fibres optiques 50, 51 sont reliées respectivement' aux embouts d'extrémité de fibres 36, 37 du corps de sonde 35. La fibre optique 52, gracie à un canal 55 mettant en communication étanche l'intérieur du corps de sonde 35 et la platine 42, rejoint l'embout d'extrémité 46 de la platine 42. La figure 3 illustre l'utilisation d'une sonde de mesure 60 pour déterminer les variations de niveau de l'interface 61 entre des fluides 62, 63 de couleur et de densité différentes qui sont non-miscibles et qui reposent l'un au-dessous de l'autre dans un récipient 64. Le mélange de fluides est amené par une conduite 65, le fluide supérieur 62 étant prélevé par une conduite 66 associée à une pompe 67 et le fluide inférieur 63 évacué par une conduite 68 associée à une vanne 69. La sonde 60 est immergée dans le récipient 64 et reliée à un système d'acquisition de données du type de celui de la figure 1 au moyen de fibres optiques 70. Les fibres optiques 70 traversent la surface libre du fluide pour sortir du récipient 64. La couleur détectée par la sonde 60 indique le fluide dans lequel baigne celle-ci Le changement de couleur signale que l'interface 61 est en regard de la sonde 60. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour déterminer la couleur et la turbidité d'un fluide confiné par une paroi, par exemple celle d'une enceinte ou d'une canalisation, consistant à : - projeter un faisceau de lumière blanche dans le fluide à l'aide d'une première fibre optique, - recueillir la lumière du faisceau après trajet dans le fluide à l'aide d'une deuxième fibre optique, - assurer la dispersion chromatique de la lumière recueillie par la deuxième fibre pour former un spectre linéaire, - analyser le spectre obtenu par mesure de l'intensité lumineuse relative de ses composantes, et - déterminer en fonction de cette analyse la couleur du fluide, procédé caractérisé en ce qu'il consiste en outre â mesurer le taux de lumière du faisceau diffusé latéralement dans le fluide à l'aide d'une troisième fibre optique (19), pour déterminer la turbidité du fluide. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à allonger par réflexion le trajet local du faisceau au sein du fluide. 3.- Application du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractériséeen ce que ladite mesure du taux de lumière diffusée est utilisée pour effectuer la distinction entre un produit trouble et un produit opaque. 4.- Application du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce qu'il est mis en oeuvre pour assurer la discrimination entre des fluides différents circulant séquentiellement dans une conduite. 5.- Application du procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisi en ce qu'il est mis en oeuvre pour déterminer les variations de niveau de l'interface entre des fluides différents (62, 63) contenus dans un récipient. 6.- Dispositif pour déterminer la couleur et la turbidité d'un fluide confiné par une paroi, par exemple celle d'une enceinte ou d'une canalisation, comportant - une première fibre optique dont une extrémité est couplée à une source de lumière blanche et dont l'autre extrémité est couplée à un premier système optique pour émettre un faisceau de lumière dans le fluide, - une deuxième fibre optique dont une extrémité est couplée audit premier système optique pour recueillir ledit faisceau de lumière après trajet dans le fluide, et dont l'autre extrémité est couplée à un organe de dispersion chromatique de la lumière recueillie for mant un spectre linéaire, - un détecteur linéaire multipoint recueillant ledit spectre pour mesurer l'intensité lumineuse relative en chacun de ses points, - des moyens de traitement des informations issues du détecteur linéaire multipoint pour déterminer en fonction de cette mesure la couleur du fluide, dispositif caractérisé en ce qutil comporte en outre une troisième fibre optique (19) dont une extrémité est couplée à un second système optique (17, 18) pour recueillir la lumière dudit faisceau diffusée latéralement dans le fluide, et dont l'autre extrémité est couplée à un instrument de mesure (20) de cette lumière diffusée de manière à déterminer la turbidité du fluide. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits premier et second systèmes optiques sont disposés dans une sonde (30) immergée dans le fluide, cette sonde présentant des parois délimitant un passage (45) traversé par ledit faisceau lumineux et baigné par le fluide, ledit premier système optique comprenant - au moins deux lentilles (38, 39) adjacentes à l'une desdites parois et couplées respectivement aux première (50) et deuxième (51) fibres optiques, - un hublot ' 40) monté dans cette première paroi, au droit desdites lentilles (38, 39), - un organe réfléchissant (44) monté en regard dudit hublot (40) dans une paroi opposée à cette première paroi, pour renvoyer le faisceau de lumière vers ledit hublot (40), et le second système optique comprenant - au moins une troisième lentille (47) qui est adjacente à une paroi perpendiculaire aux deux précédentes et qui est couplée à ladite troisième fibre optique (52), et - un hublot (49) monté dans ladite paroi perpendiculai re, au droit de ladite troisième lentille (47). 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les trois fibres optiques (50, 51, 52) traversent la paroi de confinement du fluide (34). 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu une traversée unique et étanche (54) pour les trois fibres optiques (50, 51, 52). 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les extrémités (36, 37, 46) des trois fibres optiques disposées dans la sonde (30) sont parallèles entre elles, ledit second système optique comprenant en outre un organe réfléchissant (48) de renvoi à 900 de la lumière diffusée, qui est placé sur le trajet optique entre ledit fluide et l'extrémité (46) de ladite troisième fibre optique (52). 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que l'organe réfléchissant dudit premier système optique est un coin de cube (44) dont la face diagonale est sensiblement normale aux extrémités (36, 37) desdites première et deuxième fibres (50, 51). 12.- Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'organe réfléchissant dudit second système optique est un coin de cube (48).