Brevet FR2594951A1 — publié le 19870828

La présente invention a pour objet un procédé pour la mesure des caractéristiques physiques d'un milieu liquide ou gazeux. Elle vise également un dispositif à fibres optiques pour la mise en oeuvre de ce procédé. On a déjà proposé d'utiliser la lumière rétroréfléchie sur l'extrémité d'une fibre optique dite "distale", pour mesurer l'indice de réfraction d'un fluide dans lequel cette fibre optique est plongée. Cette technique présente deux défauts qui empêchent ou gênent la mesure. Un premier inconvénient réside dans le fait qu'il existe également un faisceau rétroréfléchi sur la face d'entrée de la fibre dite "proximale", et qu'il faut séparer le signal utile provenant de la face distale de la fibre. Un second inconvénient réside dans le fait que la moindre impureté dans le fluide peut perturber la mesure en provoquant par rétrodiffusion un faisceau parasite supplémentaire. Jusqu'à présent on connut deux moyens principaux destinés à supprimer le signal de la face proximale, à savoir les moyens optiques et les moyens mécaniques.Les moyens optiques consistent à utiliser une source polarisée linéairement et à éliminer la réflexion distale en croisant l'analyseur. Ce dernier coupe le signal parasite et laisse passer la moitié du signal utile qui est dépolarisé par la fibre. Les moyens mécaniques sont également de deux sortes. On peut mettre en oeuvre une technique dite de "la source multifibre" dont la moitié du faisceau sert à la conduction de la mesure. Là encore, le pouvoir de coupure n'est pas fameux mais il est d'autant meilleur que les fibres optiques sont petites par rapport à la sonde. Le second moyen mécanique est constitué par un coupleur gauche Ce coupleur gauche consiste en un disposés tif à lame présentant une inclinaison suffisante par rapport à l'axe optique pour que les images de la face avant de la fibre soient séparées.De plus, le biseautage de la sonde aide ce procédé qui ne présente surement pas un bon pouvoir de coupure. Le biseautage et l'inclinaison différente de 45" de la lame séparatrice concourent ensemble à la séparation de l'image. Un objet de la présente invention est de fournir un dispositif original permettant d'utiliser la lumière rétrorefléchie sur l'extrémité d'une fibre optique, tout en élimitant structurellement le coupleur. Un autre objet de la présente invention est de fournir un dispositif original consistant à associer dans un montage particulier un dioptre et au moins une fibre optique. Encore un autre objet de la présente invention est de réaliser un dispositif du type précité, simple à fabriquer, tout en présentant un pouvoir de coupure important et un rendement inégalé par rapport aux autres dispositifs de l'art antérieur. Tous ces dispositifs servent évidemment à mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention. La présente invention a donc pour objet un procédé pour la mesure des caractéristiques physiques d'un milieu liquide ou gazeux, caractérisé en ce que l'on fait passer par une extrémité d'au moins une fibre optique, dont l'autre extrémité est en contact direct ou indirect avec le milieu liquide dont les caractéristiques sont à déterminer, un faisceau de lumière provenant d'une source laser polarisée, et en ce qu'on traite le faisceau de lumière rétroréfléchie dans ledit milieu, de façon à obtenir une information représentative de la valeur des caractéristiques physiques dudit milieu, par exemple l'indice de réfraction, information que l'on traite dans une unité de traitement en ligne comportant des moyens d'amplification et de conversion analogiquenumérique afin d'afficher les valeur numériques desdites caractéristiques physiques sur des moyens de visualisation appropriés. Le procédé selon l'invention est en outre remarquable en ce que les fibres optiques peuvent être associées à un dioptre lui-même en contact avec le milieu liquide. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé spécifié cidessus, ce dispositif comportant un dioptre sphérique coopérant avec deux fibres optiques dont les extrémités proximales respectives sont fixées au dioptre, symétriquement par rapport au centre géométrique du dioptre sphérique. En effet, si l'on fixe par exemple par collage, deux fibres, l'une émettrice et l'autre réceptrice, symétriquement pàr rapport au centre géométrique du dioptre sphérique, la fibre réceptrice diffuse la lumière avec une ouverture numérique donnée, c'est-à-dire un angle de lumière issu de la fibre. La lumière dans la matière du dioptre ou lentille de réflexion est focalisée sur la fibre réceptrice qui reconduit la lumière vers un détecteur. Cette disposition constitue la caractéristique essentielle du dispositif. Plus les fibres sont écartées l'une de l'autre plus grand est le pouvoir de coupure, c'est-à-dire la séparation de la lumière parasite rediffusée par le verre, et moins grand le rendement car les aberrations géométriques surviennent lorsque les fibres sont trop para-axiales. Selon une forme de réalisation particulière de l'invention, on fixe, par exemple par collage, au moins un semi-conducteur directement sur la face arrière du dioptre. Cette technique présente tous les avantages par rapport au dispositif précédent, et en particulier le rendement est bien meilleur tandis que la mise en oeuvre est plus économique, notamment pour les grandes séries. En outre le dispositif obtenu est moins fragile et surtout on dispose d'une surface, c'est-à-dire celle du dioptre, propre aux manipulations qui seront décrites dans ce qui suit. En effet comme cela a été spécifié ci-dessus, la lumière rétrodiffusée par les particules du fluide était susceptible de créer des difficultés qui, dans l'agencement selon l'invention, sont vir tuellement éliminées à condition d'ajouter une ou plusieurs fibres optiques réceptrices non situées dans le point focal du dioptre.Ceci constitue une variante de réalisation supplémentaire présentant l'avantage, d'une part, de récupérer un signal rétrodiffusé utilisé tel quel pour mesurer les impuretés que l'on veut éliminer, à savoir les fumées, les opalescences, les corpuscules de différents diamètres et corps étrangers analogues, et, d'autre part, de pouvoir récupérer ce signal de rétrodiffusion à une longueur d'onde différente. On notera également que la technique du dioptre se prête aisément au dépot de couches submicrométriques dont l'épaisseur est inférieure au micron, de couches organiques et d'oxyde métallique, conductrices ou non. Ces dépôts peuvent avoir deux objets. Le premier objet est d'empêcher la fixation des particules organiques ou l'empoisonnement superficiel par adsorption, ou bien la fixation de cations. En effet, le verre et d'une manière générale les diélectriques optiques de mesure, c'est-à-dire les matières organiques de synthèse diélectriques semi-conductrices ou conductrices, en ce qui concerne les gammes de radiations habituellement utilisées, y compris l'infrarouge, sont sensibles aux fixations des particules (phénomène de VANDERWAALS) rendant ainsi instable le signai de détection (phénomène de dérive lente). Le dépôt de couches de protection appropriées permet de surmonter cette difficulté. Ces couches seront soit électriquement neutres, par exemple en matière transparente biocompatible, soit conductrices, auquel cas le dioptre sera susceptible d'être transformé en cathode ou en anode où circule un courant alternatif ou continu, et dont le potentiel est de nature à empêcher le dépôt de salissures. L'introduction d'une couche "transparente" revient à ajouter une composante continue. Dans le cas de la biocompabilité, comme résultat du dépôt des couches, deux phénomènes entrent en jeu, d'une part, l'absence du point de fixation du pont hydrogène, et d'autre part, l'abaissement de la tension superficielle du fluide. Le deuxième objet des dépôts métalliques est de réaliser un filtre sélectif de la longueur d'ondes émise par la fibre ou le chip. Ceci permet d'éliminer la lumière diffuse de l'environnement et de rendre le signal quasiment indépendant du niveau d'éclairement externe. Selon une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention, on a prévu de fixer sur la face arrière du dioptre, un certain nombre d'ensembles émetteurrécepteur, chaque émetteur étant refocalisé vers un récepteur avec une diaphotie, à savoir une isolation entre deux liaisons, minimale. En outre chaque émetteur et son récepteur correspondant sont disposés symétriquement par rapport au centre optique du dioptre, en fonction de l'encombrement. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, on élimine les interférences externes en utilisant des fibres mono-modes dites à conservation de polarisation. La lumière subit alors une réflexion et une rotation de phase sur le dioptre et revient dans la fibre réceptrice qui n'accepte que la lumière polarisée linéaire dans la direction de son axe principal. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de formes et de modes de réalisation du procédé et du dispositif selon la présente invention en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue latérale schématique d'une première forme de réalisation de dispositif selon l'invention. Fig. 2 est une vue latérale schématique d'une seconde forme de réalisation selon l'invention. Fig. 3 est une vue latérale schématique d'une troisième forme de réalisation de dispositif selon l'invention. Fig. 4 est une vue latérale schématique d'une quatrième forme de réalisation du dispositif selon l'invention, avec une seule fibre. Fig. 5 est une vue de face du dispositif de la figure 4. Fig. 6 est une représentation schématique d'un dispositif réfractométrique à coupleur simple selon l'invention. Fig. 7 est une vue schématique d'un dispositif réfractométrique à coupleur double selon l'invention. Fig. 8 est une vue schématique d'un dispositif saccharimétrique à dioptre selon l'invention. Fig. 9 est un dispositif saccharimétrique à coupleur optique et dioptre selon l'invention. Fig. 10 est une vue schématique d'un dispositif saccharimétrique à coupleur optique et dioptre sphérique faisant intervenir trois fibres optiques au niveau du dioptre. Fig. ll est une vue de détail du dispositif de la figure 10. Dans la forme de réalisation de la figure l, deux fibres optiques 1 et 2 sont fixées sur un dioptre 3 de part et d'autre du centre optique 3a dudit dioptre. La lumière, un faisceau polarisé, provient d'un générateur laser non représenté aux dessins selon fl. Un trajet en tireté matéralise la lumière rétroréfléchie qui aboutit par la fibre optique 2 selon f2 à un détecteur 4. Dans la forme de réalisation de la figure 2, sont fixés, par exemple par collage, sur la face arrière d'un dioptre 5, et symétriquement disposés de part et d'autre de l'axe optique de ce dernier deux éléments semi-conducteurs ou chips, pour émetteur 6 et récepteur 8. Dans la forme de réalisation de la figure 3, est représenté un dioptre 7 présentant sur son secteur sphérique une couche 9 en une matière choisie parmi les matières soit électriquement neutres, par exemple une matière transparente biocompatible, -soit conductrices. Les faisceaux de lumière incidente et rétroréfléchie sont matéralisés par les flèches fl et f2 et suivent les trajets respectifs des fibres optiques 10 et 11. Dans la forme de réalisation des figures 4 et 5, on a prévu de fixer, par exemple, par collage sur la face arrière 12a d'un dioptre 12 des ensembles émetteur-récepteur El,Dl; E2, D2; E3, D3. Ces ensembles émetteur-récepteur sont respectivement disposés de part et d'autre de l'axe optique du dioptre 12. Dans la forme de réalisation de la figure 6, on a prévu un émetteur de lumière laser polarisée traversant selon fl une fibre optique 1 reliée à un coupleur C duquel sort une fibre optique la venant en contact avec le milieu dont les caractéristiques sont à déterminer en y envoyant le faisceau laser selon la flèche f3 et en retransmettant la lumière rétrodiffusée par ce milieu selon la flèche f4 à un coupleur C d'où elle est renvoyée par la fibre optique 2 selon f2 à un détecteur D qui communique l'information reçue selon la flèche Fl à une unité de traitement en ligne non représentée sur le dessin. Dans la forme de -réalisation représentée sur la figure 7, on a mis en oeuvre-les mêmes éléments que ceux décrits à la figure 6, sauf que l'on a intercalé un second coupleur Cl entre l'émetteur E et le premier coupleur C auquel le coupleur Cl est relié par une fibre optique lb. Par ailleurs le coupleur C1 est relié au détecteur D par une fibre optique lc ce qui fait que le faisceau laser issu de E est divisé selon les flèches f5 et f6 respectivement vers le premier coupleur C et le détecteur D pour servir de signal de référence. Dans là forme de réalisation de la figure 8-, le coupleur C et la fibre optique la sont remplacés par un dioptre Do. Les fibres optiques 1 et 2 étant fixées au diop tre de part et d'autre de l'axe optique de ce dernier. Dans la forme de réalisation de la figure 9, on a intercalé sur le trajet du faisceau laser issu de l'émetteur E et passant par la fibre optique 1 selon fl un coupleur C1 jouant le même rôle que le coupleur C1 de la forme de réalisation de la figure 7, c'est-à-dire qu'il divise le faisceau laser selon les flèches f5 et f6 respectivement à travers les fibres optiques lc qui aboutit au détecteur D et ld qui aboutit au dioptre Do en relation de symétrie avec la fibre optique 2 par rapport à l'axe optique dudit dioptre Do. La forme de réalisation de la figure 10 est plus particulièrement adaptée au captage de l'information résultant de la rétrodiffusion du milieu ainsi que de la rétrodiffusion totale. A cet effet, outre les différents composants du dispositif représenté sur la figure 9, on a prévu une fibre optique supplémentaire 2a fixée selon l'axe optique du dioptre Do et aboutissant au détecteur D selon la flèche f7 dans le même étage d'amplification que l'information communiquée par la fibre optique 2. Sur la figure 11, on a représenté plus en détail les trajets des différents faisceaux issus de la fibre optique lb et afférant respectivement aux fibres optiques 2 et 2a. Dans cette disposition, à part la face plane du dioptre Do, ce dernier baigne totalement dans le milieu M dont les caractéristiques physiques doivent être déterminées. Les réfractomètres à fibres optiques et dioptres sphériques selon la présente invention trouvent naturellement leur utilisation en saccharimétrie, notamment dans le domaine des industries agro-alimentaires, et en particulier pour la mesure de la teneur en sucre du jus de betterave ou de canne à sucre, et en général pour toutes les mesures de réfraction molaire des fluides liquides et gazeux, ainsi que les caractéristiques physiques des plasmas. En ce qui concerne les éléments constitutifs de l'unité de traitement en ligne, on peut utiliser tous les moyens bien connus en électro-informatique, notamment au niveau des transmetteurs analogiques et des interfaces. On peut également mettre en oeuvre les moyens de visualisation et d'affichage disponibles dans le commerce. I1 est clair que l'invention n'est nullement limitée aux formes et modes de réalisation décrits ci-dessus mais qu'elle englobe toutes les modifications et variantes issues du même principe de base, à savoir la combinaison de coupleurs optiques et de dioptres sphériques pour servir de composants de base à la fabrication de réfractomètres et/ou saccharimètres, et de tous les appareils de mesure plus spécifiques. C'est ainsi que l'on peut également envisager de tailler des dioptres appropriés parmi les matières semi-conductrices transparentes ou translucides. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure des caractéristiques physiques d'un milieu liquide ou gazeux caractérisé en ce que l'on fait passer par une extrémité d'au moins une fibre optique (1), dont l'autre extrémité est en contact direct ou indirect avec le milieu liquide ou gazeux dont les caractéristiques sont à déterminer, un faisceau de lumière provenant d'une source laser polarisée (E), et en ce qu'on traite le faisceau rétroréfléchi dans ledit milieu, de façon à obtenir une information représentative de la valeur des caractéristiques dudit milieu, par exemple l'indice de réfraction, information que l'on traite dans une unité de traitement en ligne comportant des moyens de conversion analogique-numérique afin d'afficher les valeurs numériques desdites caractéristiques physiques sur des moyens de visualisation appropriés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une fibre optique (1) est associée à un dioptre (3) lui-même en contact avec le milieu liquide ou gazeux. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux fibres optiques (1, 2) sont associées à un dioptre (Do), lui-même en contact avec le milieu liquide ou gazeux. 4. Dispositif pour la mesure des caractéristiques physiques d'un milieu liquide ou gazeux > caractérisé en ce qu'il comporte un dioptre sphérique (3) coopérant avec deux fibres optiques (1, 2) dont les extrémités proximales respectives sont fixées à la face arrière du dioptre (3) symétriquement par rapport au centre géométrique dudit dioptre sphérique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on fixe au moins un émetteur (E1, E2, E3) et au moins un récepteur (dol, D2, D3) sur la face arrière plane du dioptre, chaque émetteur étant symétriquement dis posé vis-à-vis de son récepteur de part et l'autre de l'axe optique du dioptre. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'émetteur est un émetteur de lumière laser tandis que le récepteur est un élément photo-optique ou photo-acoustique. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins l'une des faces du dioptre a été soumise à un traitement de surface avec dépôt de matière formant filtre sélectif. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matière déposée est soit électriquement neutre, soit conductrice. 9. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des fibres optiques mono-modes n'acceptant que la lumière polarisée linéaire. issue du laser dans la direction de leur axe principal. 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le dioptre sphérique est taillé dans une matière semi-conductrice transparente ou translucide.