Brevet FR2577317A1 — publié le 19860814

La présente invention a pour obJet un appareil de mesure de la turbidité d'un liquide en flux continu. La présence en suspension dans l'eau de particules .tnsolubles (solides ou liquides non miscibles) de très faible taille, dites colloïdales, confère à l'eau un caractère "trouble" qui peut compromettre son usage ou son rejet au milieu naturel. Le degré de trouble d'une eau ou turbidité cons -c.itl.e donc un critère de qualité de celle-ci et la mesure r3e la turbidité permet une évaluation de la quantité de matières en suspension présentes dans une eau, et ceci bien que la relation entre la turbidité et la concentration massique en matières en suspension soit complexe et dépende de la taille et de la forme des particules en question. La mesure de turbidité s'avère particulièrement intéressante pour les eaux faiblement concentrées en particules colloïdales (domaine des eaux potables et des eaux traitées) en vue de la conduite des installa- tions de traitement ou épuration et notamment de celles qi ont pour objet l'élimination des matières en sus pension (par exemple coagulation, floculation, décan- tation. flottation, filtration ...). D'une façon générale, la turbidité est mesurée en éclairant l'échantillon d'eau par un faisceau lumineux et en recueillant et en mesurant soit la lumière diffusée dans une direction (en pratique préférentiellement la direction perpendiculaire au faisceau incident) scit éventuellement en mesurant la lumière absor be dans la direction du faisceau incident. Cr, l'application de la technique de mesure de turbidité au cas des eaux peu chargées en matières en suspension, en particulier eaux potables, nécessite la dispcnibilité d'appareils très sensibles. Les applications à la régulation de procédés ou au contrôle de qualité des eaux naturelles, des eaux-trai- tées et des eaux distribuées requièrent des appareils à fonctionnement continu particulièrement fiables et nécessitant le minimum d'entretien. Dans ce but il est souhaitable d'éviter l'encrassement de surfaces optiques qui perturberaient les mesures à long terme et diminueraient la sensibilité de la mesure. La présente invention s'efforce de satisfaire aux critères ci-dessus. Il existe des appareils industriels qui constituent des extrapolations à fonctionnement continu des appareils de laboratoire permettant de mesurer l'intensité lumineuse diffusée ou transmise par un échantillon d'eau placé dans une cellule de verre ou quartz. Les mesures s'effectuent de façon permanente à travers une cellule à circulation pour lesquelles se pose toujours le problème de l'encrassement des surfaces optiques. D'autre part il existe des appareils industriels qui peuvent réaliser des mesures de turbidité sur un liquide en écoulement sans qu'il y ait interposition d'une surface optique entre le liquide et les dispositifs d'émission et de recueil et mesure de lumière. Les deux dispositifs les plus répandus sont - les systèmes effectuant la mesure à travers un écoulement de liquide dans un plan perpendiculaire à cet écoulement; et - les systèmes effectuant la mesure au niveau d'une surface d'eau libre dans une cuve dont le renouvellement de l'eau est assuré en permanence. Cependant dans les deux cas précédents ces systèmes sont caractérisés par le faible volume de liquide concerné par la mesure, volume qui est limité dans le premier cas par la section du faisceau lumineux incident et par celle du faisceau réfléchi, et, dans le second cas, par la profondeur de pénétration du faisceau lumineux incident dans la masse du liquide Dautre part des perturbations de la surface d'eau libre affectent notablement la mesure. Par ailleurs, on connaît divers dispositifs analyseurs de particules en suspension dans un liquide, notamment des cytomètres, utilisant la lumière diffusée par les particules en vue de les mesurer, par exemple d'après la demande GB-A-2 016 734 qui propose notamment un réflecteur elliptique. Ces appareils effectuent une mesure individuelle sur chaque particule et, lorsqu'vils fonctionnent en continu, l'écoulement est capillaire, de sorte qu'ils ne pourraient convenir dans le but de l'invention qui est la mesure d'une propriété globale d'un liquide. Selon l'invention il est proposé un nouveau dispositif de mesure de la turbidité d'un liquide, notamment l'eau,permettant d'éviter les inconvénients précédents et dont les avantages apparaîtront ci-après. L' invention concerne donc un appareil de mesure de la turbidité d'un liquide en flux continu, comprenant un dispositif d'éclairage du liquide, un réflecteur de section elliptique et un dispositif de détection de la lumière réfléchie et il est caractérisé en ce que le liquide est mis en écoulement dans selon un trajet sas- sant par l'un des foyers de la section elliptique du réflecteur, le dispositif de détection (6) étant placé dans l'autre foyer de la section elliptique, et que l'éclairage est orienté dans le sens de l'écoulement du liquide. Le flux de liquide étudié est notamment mis en écoulement suivant un trajet rectiligne et d'une section préférablement circulaire. Un écoulement suivant un trajet vertical est préféré pour éviter la mise en oeuvre de surfaces optiques (parois traversées par la lumière) susceptibles de s'encrasser. Toute autre disposition géométrique serait toutefois possible. Le traJet peut correspondre à un écoulement libre ou avoir lieu dans un tube transparent. La partie cylindrique de liquide illuminé passe par l'un des axes focaux du réflecteur de section elliptique et ainsi la lumière, émise dans toutes les directions à partir de ce foyer, se réfléchit à la surface elliptique pour aboutir au deuxième foyer de l'ellipse Le dispositif de détection de la lumière est placé au deuxième foyer de l'ellipse, et la transmet à un dispositif de mesure d'intensité lumineuse. Le dispositif de détection de la lumière est preférablement de forme rectiligne (en pratique cylindrique) et se trouve orienté parallèlement au trajet du liquide illuminé. Ces deux éléments sont tous deux perpendiculaires à la section elliptique du réflecteur. Le dispositif de détection de la lumière peut être utilement constitué par un barreau cylindrique de matériau fluorescent (par exemple verre contenant une substance fluorescente) ou par un tube transparent rempli de liquide fluorescent capable d'émettre une radiation lumineuse de longueur d'onde déterminée lorsqu'il est excité par une lumière d'une autre longueur d'onde déterminée. C'est la nature de la matière fluorescente qui détermine les longueurs d'ondes possibles pour l'illumi- nation et pour l'émission fluorescente. La première de ces longueurs d'onde sera contenue dans la lumière du faisceau incident envoyé à travers lXécoulement, soit seule (faisceau monochromatique) soit accompagnée d'autres longueurs d'onde (faisceau polychromatique). On préfèrera un faisceau monochromatique. La source lumineuse peut être utilement constitué par un laser. Le dispositif de mesure de lumière recueillie au 2ème foyer du réflecteur elliptique est du type connu et choisi pour être plus spécifiquement sensible à la longueur d'onde de la lumière émise par fluorescence. La lumière recueillie localisée dans une portion sensiblement cylindrique de l'espace (tube ou barreau) sera mesurée par un dispositif placé, de manière avantageuse, directement sur une des deux sections terminales de cette zone cylindrique. I1 est ainsi possible de mesurer la lumière émise par fluorescence sur une hauteur maximale de liquide fluorescent, par exemple au moyen de composants opto-électroniques (photo-diodes, photo-transistors, cellules photo-électriques, etc.) dont la surface réceptrice peut être utilement du même ordre de grandeur que celle de la section du tube émetteur par fluorescence. L'appareil selon l'invention présente des avantages déterminants - recueil de toute la lumière diffusée par l'écoulement liquide dans toutes les directions perpendiculaires à 1' écoulement; - absence de surfaces optiques encrassables; - localisation dans un espace très réduit (zone cylindrique au 2ème foyer du réflecteur à section elliptique) de toute la lumière recueillie permettant une mesure ponctuelle de cette lumière sans utilisation de dispositifs optiques de concentration (lentilles, miroirs ...); - mise en oeuvre d'un volume de liquide important déterminé uniquement par la longueur de l'écoulement et la hauteur du réflecteur à section elliptique;; - possibilité d'adaptation de l'appareil au travail dans des gammes de turbidité très différentes en dépla çant le dispositif de collecte et détection de lumière par rapport au réflecteur tout en le maintenant perpendiculaire à la section elliptique et passant par le 2ème foyer de cette section; - insensibilité aux fluctuations de l'écoulement (turbulence du filet liquide) : le fait que la géométrie de la zone de fluide utilisée pour la mesure de turbidité soit relativement indépendante de celle de l'écoulement, si le diamètre du faisceau lumineux incident est inférieur en permanence à celui de l'écoulement L'utilisation d'un réflecteur'à section elliptique entière permet le recueil de la totalité de la lumière émise par l'objet illuminé placé le long du ler axe focal du réflecteur; le système de mesure se distingue donc de ceux qui utilisent un réflecteur à section elliptique non entière pour permettre le recueil de la lumière concentrée le long du 2ème axe focal par un dispositif de focalisation tel qu'une lentille ou un miroir. L'invention permet donc une sensibilité accrue. De-plus, dans le dispositif de détection, la combinaison d'une substance à la fois transparente et fluorescente munie à l'une ou à ses deux extrémités d'un dispositif de mesure de la lumière évite un dispositif de focalisation de la lumière émise par fluorescence qui ne pourrait prendre en compte que la partie de la lumière émise dans une direction de l'espace. L'appareil selon l'invention trouve son application notamment dans les domaines suivants - contrôle de qualité des eaux potables et tous liquides susceptibles d'être contaminés par des particules colloïdales en suspension; - contrôle de performance des ouvrages de séparation des particules solides contenues dans un fluide (coagulation, floculation, décantation, filtration, flottation, etc); - conduite et régulation de ces installations; - contrôle de qualité des eaux à usage industriel en amont et au niveau de leur utilisation; - mesure des biomasses en suspension dans les fermenteurs et réacteurs bilogiques; - dosage d'espèces chimiques par des réactifs aboutissant à la précipitation de colloïdes ou matières en suspension fines (par exemple : dosage néphélométrique des sulfates). La description qui va suivre en regard du dessin annexé illustre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de l'appareil selon l'invention. Sur la Fig. unique, un écoulement du liquide étudié (représenté par une flèche) alimente une cuvette 1 de faible profondeur munie d'un trop-plein 2 à sa partie supérieure et à sa base d'une canalisation 3 cylindrique verticale . Le débit d'alimentation D du liquide est choisi pour que la cuvette soit pleine en permanence compte-tenu du débit de vidange à la base. La partie inférieure 4 de la canalisation verticale est profilé de façon telle que l'écoulement libre soit le plus régulier possible. Un dispositif d'éclairage (non représenté) constitué par une source de lumière ponctuelle placée au foyer d'une lentille convergente envoie un faisceau lumineux cylindrique L qui traverse l'écoulement vertical de liquide. L'écoulement, éclairé verticalement, passe par un axe focal F1 d'un réflecteur 5 de section elliptique et d'axe vertical, à la surface duquel se réfléchit la quasi totalité de la lumière émise par le liquide et diffusée par les particules qu'il contient, notamment sur toute la longueur de l'écoulement jouant le rôle de diffuseur. Cette lumière se trouve, après réflexion, concentrée suivant le 2ème axe focal F2 du réflecteur elliptique 5. Un tube de verre 6 contenant un liquide choisi pour manifester une propriété de fluorescence lorsqu'il est excité par une des radiations lumineuses de l'éclai- rage incident (par exemple de la fluoresceine, se trouve placé le long de l'axe focal F2 du réflecteur elliptique 5 collectant la lumière émise qui est fonction de la turbidité du liquide. Ce tube fluorescent 6 peut coulisser le long de l'axe afin d'ajuster la sensibilité de l'appareil. Il est muni à son extrémité supérieure d'un dispositif de mesure 7 comprenant un composant opto-électronique L'indice de réfraction du tube récepteur et du liquide fluorescent qulil contient peuvent être choisis pour faciliter le maximum de transmission de la lumière de fluorescence vers la photodiode. La partie sensible de la photodiode est recouverte d'un filtre optique qui laisse passer préférentiellement la lumière émise par fluorescence ce qui évite des interférences dues à une lumière parasite éventuelle Le réflecteur 5 'elliptique peut être en métal et légèrement chauffé par un ruban chauffant enroulé à l'extérieur (non représenté) pour éviter la formation de buées sur sa face interne. Un bac 8 de collecte du liquide ayant traversé l'appareil et comportant une tubulure de vidange permet l'évacuation du liquide étudié. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de la turbidité d'un liquide en flux continu, comprenant un dispositif d'éclairage du liquide, un réflecteur (5) de section elliptique et un dispositif de détection (6) de la lumière réfléchie, caractérisé en ce que le liquide est mis en écoulement selon un trajet passant par l'un des foyers (F1) de la section elliptique du réflecteur (5), le dispositif de détection (6) étant placé dans l'autre foyer (F2) de la section elliptique, et que l'éclairage est orienté dans le sens de l'écoulement du liquide. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est mis en écoulement suivant un trajet rectiligne vertical. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de détection (6) est de forme rectiligne et se trouve orienté parallèlement au trajet du liquide. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection (6) est constitué par un barreau cylindrique de matériau fluorescent. 5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection (6) est constitué par un tube transparent rempli de liquide fluorescent. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de mesure (7) placé directement sur une des sections terminales du dispositif de détection (6). 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de mesure (7) est constitué par des composants opto-électroniques.