Brevet FR2574552A1 — publié le 19860613

"Capteur optique de point de rosée et appareil de mesure réalisé à l'aide d'untel capteur ". La présente invention concerne un capteur optique de point de rosée et un appareil de mesure réalisé à l'aide d'un tel capteur. De façon plus particulière, l'inven- tion concerne un capteur optique de point de rosée com- posé d'une source lumineuse et d'une installation de mesure de lumière reliées à un conducteur de lumière. Il est connu d'utiliser des hygro- mètres à miroir de point de rosée pour mesurer le point de rosée à l'aide de moyens optiques. Ces dispositifs comportent une plaque métallique à surface de miroir et sur laquelle rayonne une source lumineuse. La lumière réfléchie par la surface est reçue par un détecteur photosensible situé en regard. Lorsqu'on atteint le point de rosée, l'humidité condensée de l'air se dépose sur la surface de miroir, ce qui réduit l'intensité de la lumière réfléchie. De cette manière, la réduction de l'in- tensité lumineuse constatée par le détecteur de réception constitue un critère du passage en-dessous du point de rosee. La température de surface mesurée à ce moment pour la plaque métallique qui est refroidie à l'aide d'un élément à effet Peltier correspond ainsi à la température de rosée que l'on veut mesurer. Dans le cas du capteur selon l'inven- tion pour détecter le point de rosée, on utilise un dis- positif à conducteur de lumière tel que celui connu dans un appareil de mesure à fibres optiques pour déterminer l'indice de réfraction de liquides et de gaz décrit dans la publication DE-OS 21 17 168. Dans ce réfractomètre à fibres optiques, le capteur est un conducteur de lumière plon- geant dans le milieu et n'ayant pas d'homogénéité. La non homogénéité se traduit par une perte d'intensité lumineuse dépendant du type de milieu, cette perte étant utilisée pour effectuer les mesures. Dans ce dispositif de mesure, la lumière est injectée sous la forme de modes discrets dans le conducteur de lumière passant dans le milieu qui est de préférence, un liquide. La non homogénéité du conducteur de lumière se trouvant dans le milieu forme les modes discrets dans un spectre étendu de modes. L'in- tensité de la lumière découplée ou sortant de l'autre extrémité du conducteur de lumière est utilisée,dans ce cas,comme mesure de l'indice de réfraction du milieu environnant. Ce dispositif ne sert toutefois pas à détec- ter ou à mesurer le point de rosée. Selon le brevet US-A 35 28 278, on connaît un procédé et un dispositif pour déterminer la présence de vapeur dans un gaz, et qui sert à déterminer le point de rosée. Dans le montage selon ce brevet, on utilise comme capteur pour déterminer le point de rosée, un élément transparent à la lumière par exemple une tige en verre de quartz,que l'on éclaire à l'aide d'un maté- riau à bonne caractéristique de réflexion. On injecte de la lumière dans cette tige à travers sa surface frontale meulée de façon précise, l'angle d'inclinaison de la surface frontale par rapport à la direction du rayonne- ment et à la surface-enveloppe de la tige étant mesuré de façon qu'il se produise une réflexion totale à l'in- térieur de la tige pour la lumière injectée aussi long- temps que les surfaces extérieures de la tige ne sont pas humidifiées par un liquide. L'angle critique pour lequel se produit la réflexion totale est différent dans le cas d'une couche limite verre-liquide et pour une couche limite verre-air. Ce phénomène est utilisé dans l'appareil selon le brevet US rappelé ci-dessus pour déterminer le point de rosée. Les gouttelettes de conden- sation déposées à la surface de la tige en verrec'est- à-dire par exemple la rosée se traduisent)pour un dimen- sionnement approprié de la tige en ce que une partie essentielle de la lumière injectée se disperse, de sorte que l'intensité de la lumière sortant à l'autre extré- mité de la tige lorsqu'on atteint le point de rosée, est notablement plus faible qu'au-dessus de ce point de rosee. Comme dans cet appareil, il est important de respecter l'angle critique, il faut que le corps en verre qui conduit la lumière soit taillé de façon exacte et soit disposé exactement par rapport à la source lumineuse, si bien que le dispositif est coûteux et sensible. - La présente invention se propose de créer un capteur pour détecter le point de rosée, qui réalise le même objectif que le corps en verre selon le brevet US-A 3 528 278 mentionné ci-dessus mais soit moins coûteux et moins sensible aux accidents. Pour résoudre le problème posé, on utilise les constatations relatives aux propriétés spé- cifiques des conducteurs de lumière telles qu'elles ont été publiées dans "Conference Proceedings OFS 84" éditée par VDE-Verlag GmbH, BerlinOffenbach à l'occasion de la seconde Conférence Internationale relative à des capteurs à fibres optiques qui s'est tenue du 5 au 7 Septembre 1984 à Stuttgart. Selon cette publication, on a déjà proposé d'utiliser comme capteur un conducteur de lumière- dont la surface était munie d'un réseau défini sur une plage de longueur déterminée. Ce réseau était un réseau de traits, optiquement défini, et qui>en présence d'humi- dité, faisant sortir du conducteur de lumière une partie de la lumière injectée dans celui-ci. La diminution de l'intensité de la lumière permet de conclure quant au type de molécule engendrant l'humidité. La condition pour ce procédé de mesure est d'avoir un réseau de traits réalisé de façon très précise. La présente invention a pour point de départ cet état de la technique et se propose de créer un capteur très simple pour détecter le point de rosée des gaz, capteur dans lequel. le conducteur de lumière comporte à sa surface un endroit avec des irrégularités de dispersion de lumière, irrégularités réalisées par un endommagement, par exemple une partie rugueuse à sa surface. Cette non homogénéité d'une réalisation extrêmement simple entraîneque lorsqu'on arrive au point de rosée, l'intensité lumineuse de la lumière sortant à l'autre extrémité du conducteur de lumière augmente de façon sur- prenante, contrairement à ce qui se passe dans les capteurs connus; cela est un indice extremement détermi- nant pour les applications de mesure ou de signalisation, indice utilisable pour indiquer la présence d'une conden- sation. Les raisons physiques de ce phénomène sont expli- quées à l'aide des dessins. Suivant une autre solution de l'in- vention, la non homogénéité qui disperse la lumière est obtenue par une rupture de fibres si le conducteur est en fibres. Le capteur selon la présente inven- tion permet de réaliser un appareil très sensible qui génère un signal uniquement en présence d'une condensa- tion. Suivant une autre caractéristique de l'invention, l'endommagement de surface est réalisé par une rupture de fibres. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la source lumineuse et l'installation de mesure de lumière sont prévues aux extrémités opposées du conducteur de lumière. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la source lumineuse et l'installation de mesure de lumière sont prévues respectivement sur une branche d'un conducteur de lumière en forme de Y, et la partie commune de tige du conducteur de lumière présente l'endommagement de surface notamment la rugosité et son extrémité est munie d'un miroir tourné vers l'intérieur. Ainsi, le capteur s'applique égale- ment à un appareil de mesure qui permet de mesurer le point de rosée des gaz. Dans ce cas, au niveau de l'en- dommagement de surface, on a prévu une installation de refroidissement reliée à une installation de commande et un capteur de température relié à une installation de mesure de température. Suivant'une autre caractéristique de l'invention, l'installation de refroidissement peut être constituée par un élément à effet Peltier. L'objet de la présente invention sera décrit ci-après à l'aide de différents exemples de réalisation représentés schématiquement dans les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 montre un dispositif de mesure comportant un conducteur de lumière, une diode d'émission et un détecteur de réception. - la figure la est une coupe suivant la ligne A-B de la figure 1. - la figure 2 montre le tracé schématique dans le cas d'une réflexion totale à la surface limite entre le conducteur de lumière et l'eau ou l'air lorsque la surface extérieure du conducteur de lumière n'est pas endommagée. - la figure 3 montre la trajectoire de la lumière dans la zone de la surface d'un conducteur de lumière à savoir: - la figure 3a correspond à une sur- face non endommagée et non couverte de buée. - la figure 3b correspond à une sur- face endommagée mais non couverte de buée. - la figure 3c montre une surface extérieure endommagée et recouverte de buée. - la figure 4 montre un dispositif de mesure avec un capteur selon l'invention correspondant à un premier exemple de réalisation. - la figure 5 montre un dispositif de mesure avec des capteurs selon l'invention correspon- dant à un second exemple de réalisation de l'invention. - la figure 5a montre schématique- ment la trajectoire des rayons dans le cas de la réflexion totale à la surface limite entre le conducteur de lumière et l'eau dans le cas d'une surface de conducteur de lumière endommagée par une rupture de la fibre optique. - la figure 6 montre un dispositif de mesure servant à mesurer le point de rosée de gaz, selon un premier exemple de réalisation. - la figure 7 montre un montage servant à mesurer le point de rosée de gazselon un second exemple de réalisation. - la figure 8 montre un schéma électrique des dispositifs de mesurey selon les figures 6 et 7, sous la forme d'un schéma-bloc. La figure 1 montre la structure de base d'un système de mesure convenant pour un capteur selon l'invention. A l'aide d'une diode émettrice 1, on génère de la lumière qui est transmise par un conducteur de lumière 3 à un détecteur de réception 2. Le but de la mesure est d'exposer en totalité ou en partie le conduc- teur de lumière 3 compris entre les raccords 3a et 3b à un milieu à contrôler. Comme le montre la coupe transver- sale à échelle agrandie de la figure la, le conducteur de lumière 3 qui est en verre ou en matière synthétique, se compose d'un noyau interne 3c et d'une gaine 3d éga- lement en verre ou en matière synthétique et qui entoure le noyau; une gaine protectrice 3e, élastique, en caout- chouc ou en matière synthétique enrobe l'ensemble de l'extérieur. Dans le dispositif de mesure réalisé selon l'invention, tel qu'il apparaît à la figure 4, le conducteur de lumière 3, présente un accident de surface qui est représenté de façon exagérée sous la référence 3f à la figure 4. Dans le cas d'une fibre dont la sur- face n'est pas endommagée, la lumière injectée est guidée par réflexion totale, pratiquement sans perte à l'inté- rieur du conducteur de lumière de diode émettrice jusqu'au détecteur.de réception o l'on peut mesurer l'intensité lumineuse. La réflexion totale se fait,dans ce casindé- pendamment de ce que le conducteur de lumière est mouillé par un liquide ou qu'il est entouré d'un gaz. Les conditions selon lesquelles cheminent les rayons sont représentées à la fiqure 2. Pour des raisons de simplification, on n'a représenté à la figure 2 que le tracé d'un rayon à l'intérieur du noyau de fibres (indice de réfraction nc> sans tenir compte de la gaine de la fibre et de la couche d"eau (indice de réfraction nw) qui recouvrent le conducteur s de lumière. Aux surfaces limites entre la couche d'eau qui entoure le conducteur de lumière et l'air ambiant, on a une réflexion totale alors que la couche d'eau qui entoure le conducteur de lumière n'entraîne qu'une dévia- tion du rayon lumineux sortant. Pour l'angle limite correspondant à la réflexion totale, on a la formule générale suivante: a = arc sinus n/n relation dans laquelle n = indice de réfraction n = indice de réfraction du conducteur de lumière c nl= indice de réfraction de l'air n = indice de réfraction de l'eau. w La mince couche d'eau qui entoure le noyau du conducteur de lumière forme deux surfaces limites parallèles entre elles à savoir,d'une part, la surface limite entre le conducteur de lumière et l'eau et,d'autre part,la surface limite entre l'eau-et l'air. Par la double application de cette loi classique de la réfraction, on obtient de nouveau la loi de la réfraction appliquée à une seule surface limite entre le conducteur de lumière et l'air. Cela signifie que la couche d'eau n'a pas d'influence optique sur le réflexion totale. La raison de cette absence d'effet optique de la couche d'eau est le fait que les deux surfaces limites sont parallèles. Les conditions précises sont repré- sentées à la figure 3a. Pour le conducteur de lumière 3, on a représenté le noyau intérieur 3c et la gaine 3d que l'on trouve d'un côté. En surface, le noyau 3c n'est pas endommagé. Il en résulte, comme pour la vue de la figure 2, le tracé du rayon tel que représenté du fait de la réflexion totale. Un tel conducteur de lumière ne convient pas comme capteur permettant de déterminer le point de rosée. On a d'autres conditions si comme proposé selon l'invention, le conducteur de lumière est endommagé en surface de façon appropriée, par exemple si sa surface est rendue rugueuse comme dans les exemples de réalisation selon les figures 4 à 7. Les vues,à échelle agrandie selon les figures 3b et 3cservent à expliquer le tracé d'un rayon au niveau d'un accident de surface du conducteur de lumière. La ligne ondulée irrégulière tracée aux figures 3B et 3c représente des accidents de surface par exemple une surface rugueuse du conducteur de lumière avec un grand nombre de surfaces d'orientation différentes qui réfractent la lumière incident de façon diffuse et la réfléchissent également en partie. De façon surprenante, la perte d'in- tensité lumineuse d'un conducteur de lumière dont la sur- face est endommagée mais qui n'est pas recouverte de buée est supérieure à celle d'un conducteur recouvert de buée. La raison de cela découle du tracé des rayons comme cela a été représenté pour les deux cas aux figures 3b et 3c. Les accidents de surface du conduc- teur de lumière c'est-à-dire la rugosité de surface, abou- tissentà un grand nombre de surfaces partielles d'incli- naisons différentes. Contrairement à une surface lisse sur le plan microscopique, dans le cas d'une telle sur- face, l'angle d'incidence des rayons arrivant sur les surfaces limites varie nécessairement. Il est ainsi aléa- toire qu'un rayon lumineux incident soit réfléchi vers l'intérieur du conducteur de lumière ou qu'il sorte de celui-ci sous forme de lumière diffuse. La surface rendue microscopiquement rugueuse et sèche du conducteur de lumière comportede cette manière de nombreuses surfaces d'inclinaisons différentes qui dépassent globalement une grande partie du mode de l'angle limite pour la réflexion totale,à savoir pour tous les modes un angle a qui se traduit par une diminution de l'intensité lumi- neuse à l'autre extrémité du conducteur de lumière. Si> par contre,on dépose de la buée à la surface du conducteur de lumière comme cela est représenté schématiquement à la figure 3c, on a des con- ditions analogues à celles décrites à propos de la figure 3a pour un conducteur de lumière à surface lisse. Du fait de la tension de surface de l'eau, 'in film d'eau s'étend pardessus des cavités et les pointes de la zone de la surface endommagée ou rendue rugueuse, de sorte que le film d'eau n' est certes plus parallèle aux-différen- tes surfaces correspondant aux accidents mais est sensi- blement parallèle à l'axe du conducteur de lumière. Les deux surfaces statistiquement irrégulières à rugosité et d'autre part du film-diLeau qui se forme dans cette zone, entraînent du fait du plus grand angle limite de la réflexion totale pour la surface limite conducteur de lumière/eau, qu'une grande partie des modes à savoir tous les modes correspondant à a que pour un conducteur de lumière non mouillé. Des modes de réalisation possibles d'indicateurs pour déterminer les phases liquides,c'est- à-dire le point de rosée,à l'aide du détecteur selon l'invention sont représentés schématiquement aux figures 4 et 5. Dans le montage de la figure 4, on injecte par exemple de la lumière dans le conducteur de lumière 3 à l'aide d'une diode lumineuse 1; le conducteur de lumière 3 est rendu rugueux à un endroit quelconque 3f et un détecteur constitué par une photodiode 2 est prévu à son extrémité de sortie; ce détecteur mesure l'intensité de la lumière reçue. Lorsque la surface rugueuse n'est pas mouillée, il n'y a pas de phase condensée et une fraction, importante de la lumière injectée sort de la surface rugueuse 3f, si bien que la photodiode 2 ne fournit qu'un courant faible s'atténuant. Si, par contre la surface rendue rugueuse 3f est humidifiée par exemple par le pas- sage en-dessous du point de rosée, le courant photo- électrique de la photodiode 2 augmente fortement. La variation du courant photo-électrique peut être utilisée comme signal d'affichage qualitatif d'une condensation de liquide. Le même dispositif peut également servir à la surveillance d'un niveau de liquide dans un récipient. Une variante du dispositif de la figure 4 est représentée à la figure 5. Dans ce cas également, on injecté de la lumière à l'aide d'une diode émettrice 1 et par une branche de conducteur de lumière 3g, un diviseur de lumière en forme de diviseur en Y 4 vers le conducteur de lumière 3. Dans cet exemple de réalisation, le conducteur de lumière 3 comporte,à la place d'une surface rugueuse, une rupture 3f' qui, comme cela sera explicité à l'aide de la figure 5a, présente un effet analogue à une surface rugueuse. L'extrémité du conducteur de lumière 3 est munie d'une surface de miroir 5 réfléchissant la lumière qui arrive, de sorte que celle-ci doit une nouvelle fois traverser la rupture 3f du conducteur de lumière 3 et finalement arriver sur la diode réceptrice 2 en passant par le diviseur Y 4 et la branche 3h du conducteur de lumière. Fondamentalement, le fonctionnement de ce dispo- sitif selon la figure 5 est le même que celui de la figure 4. Toutefois,du fait du double découplage de la lumière au niveau de la rupture, ce dispositif est beau- coup plus sensible que le précédent. Ce dispositif ne sert pas à mesurer mais uniquement à l'affichage qualita- tif d'un dépôt d'humidité. Le tracé agrandi des rayons lumineux est représenté à la figure 5a qui montre que la lumière est tout d'abord transmise à l'intérieur du noyau 3c par réflexion totale, sans perte. Au niveau d'une cassure 3f' réalisée intentionnellement, on a enlevé la gaine protec- trice 3e. Dans la mesure o ce point de rupture n'est pas recouvert d'un film d'eau, la lumière sort à cet endroit de la même manière que par une surface rendue rugueuse, comme cela est représenté à la figure 3b. Par contre, si comme l'indique la figure 3a, le point de rupture 3f' est recouvert d'un film d'eau 8, il y a une réflexion totale de façon analogue comme cela a été représenté à la figure 3c. Si l'on veut mesurer le point de rosée,c'est-à-dire la température à laquelledans un mélange gaz/vapeur, le gaz vient juste d'être saturé par la quantité de vapeur présente, point en-dessous duquel il y a condensation de la vapeur par suite de la saturation, il faut un dispositif tel que*celui représenté schématiquement aux figures 6 et 7. Dans ce montage, on a la surface endommagée du conducteur de lumière qui se trouve directement sur un élément de refroidissement qui est réalisé de façon connue en soi par exemple sous'la forme d'un élément à effet Peltier 7. Un capteur de température 6 est intégré dans la surface de l'élément refroidissant 7, capteur à l'aide duquel lorsqu'on dépasse le point de rosée, on détermine la température qui lui correspond. Du resterla mesure quantitative du point de rosée se fait de façon connue, par exemple comme cela a été détaillé dans le brevet US-A 3 528 278. Le circuit du dispositif de mesure selon l'invention est représenté par le schéma-bloc de la figure 8. Ce circuit se compose essentiellement de deux circuits de réglage, combinés qui coopèrent avec le capteur optique de point de rosée 3. A l'aide du dispositif de réglage de rosée 12, on détermine arbitrairement à l'aide du récep- teur du capteur 3, l'intensité lumineuse de la grandeur de consigne pour laquelle on a un dépôt de condensat. Cette grandeur de consigne est comparée au point 13 à la température fournie par l'installation de mesure de température 6 et qui a été détectée au niveau de l'acci- dent de surface. De cette manière, on règle le refroidis- sement ou le chauffage 7' à l'aide du dispositif de régulation de température 10 de façon que la valeur de consigne et la valeur réelle se correspondent. En cas de coincidence entre la valeur de consigne et la valeur réelle, on se trouve à la température de rosée qui est affichée ou enregistrée en 11. R E V E N D I CA T IO N S 1 ) Capteur optique de point de rosée composé d'une source lumineuse et d'une installa- tion de mesure de lumière reliées à un conducteur de lumière, capteur caractérisé en ce que le conducteur de lumière (3) présente à sa surface des irrégularités de dispersion de lumière réalisées par un endommagement. 2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'endommagement de surface est une rugosité de la surface. 3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'endommagement de surface est réalisé par une rupture de fibres. ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la source lumineuse (1) et l'installation de mesure de lumière (2) sont prévues aux extrémités opposées du conducteur de lumière (3). ) Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source lumineuse (1) et l'installation de mesure de lumière (2) sont prévues respectivement sur une branche d'un conduc- teur de lumière (3, 4) en forme de Y, et la partie commune de tige (3) du conducteur de lumière présente l'endomma- gement de surface notamment la rugosité et son extrémité est munie d'un miroir (5) tourné vers l'intérieur. 6 ) Appareil de mesure comportant un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à ,pour mesurer le point de rosée de gaz, caractérisé en ce qu'au niveau de l'endommagement de surface, il est prévu une installation de refroidissement (7) reliée à une installation de commande et un capteur de température (6) relié à une installation de mesure de température. 7 ) Appareil de mesure selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'installation de refroidissement (7) est un élément Peltier.