Brevet FR2621124A1 — publié le 19890331

?621 124 Procédé et aooareil de mesure par voie ootioue, sans contact. de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface. La présente invention concerne la mesure, sans contact, de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface. De nombreuses applications industrielles, notam- ment dans le domaine de l'énergie solaire, du contrôle de la pollution, de l'isolation thermique, des recher- ches spatiales et militaires, nécessitent la connais- sance des propriétés thermooptiques de matériaux telles que l'émissivité, l'absorptivité, la transmittivité, la réflectivité. En particulier, on peut être amené i vouloir dé- terminer ces paramètres pour des compositions gazeuses ou des suspensions analogues (par exemple caractéristi- ques d'un aérosol, d'une flamme, etc...). A titre d'exemple, pour ce qui concerne les aérosols, il est connu d en déterminer les caractéris- tiques physicochimiques en faisant déposer l'aérosol pour obtenir un liquide ou un solide sur lequel peuvent ensuite être effectuées un certain nombre de mesures bien connues (notamment mesure des coefficients de Fresnel, d'émissivité, etc...). Cependant, cette ma- nière de procéder est désavantageuse dans bien des cas, en raison notamment du temps de sédimentation qui est long (plusieurs mois pour le brouillard atmosphérique); il est donc impossible de suivre une évolution chimique et/ou physique du produit, a fortiori pour surveiller un phénomène i évolution relativement rapide. Toujours i titre d'exemple, les mesures optiques effectuées sur les flammes de charbon dans une chaudière industrielle sont la conjugaison de deux composants: d'une part, l'émission propre de la flamme qui est re- présentative dans une certaine mesure des conditions de fonctionnement du brûleur et, d'autre part, l'émission et l'absorption du nuage de cendres volantes enveloppant les flammes, composante aléatoire caractéristique de l'écoulement des gaz dans la chaudière et, dans une moindre mesure, des flammes. De ce fait, l'amélioration des rendements de combustion implique une optimisation de la granulométrie de chaque type de charbon pulvérisé, ce qui nécessite une étude de la granulométrie des flammes. 3usqu'i présent, l'étude de la distribution granulométrique des tailles de particules s'effectue par des méthodes mécaniques et/ou électriques qui nécessi- tent un prélèvement d'échantillon et qui ne permettent donc pas de caractériser in situ la granulométrie des particules présentes dans les flammes et d'en suivre l'évolution en temps réel. L'invention a donc essentiellement pour objet de remédier aux inconvénients des procédés actuellement connus et de proposer un procédé et un appareillage per- mettant de mesurer, sans contact, la granulométrie d'un nuage de particules et, aussi, par voie de conséquence, de mesurer la rugosité de la surface d'un corps. A ces fins, selon un premier de ses-aspects, l'invention propose un procédé de mesure, sans contact, de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface caractérisé en ce que: - on forme une figure de diffraction du nuage de parti- cules ou de la surface du corps, A l'aide d'une len- tille convergente, - on multiplie, en intensité, cette figure de diffrac- tion par une fonction f(r) telle que A(r ' + Br) f(r) ( A (r4 + Br 4 o o avec A = constante déterminée par étalonnage, B = constante o ( B 4 0,1 r = distance mesurée dans le plan focal de la lentil- le par rapport i l'axe optique de celle-ci r = rayon maximum utile du filtre spatial, o - et on effectue, sur le résultat de cette multiplica- tion, une transformation inverse de Fourier dont le résultat constitue le spectre recherché de granulomé- trie du nuage de particules ou le spectre recherché de rugosité de la surface. Ainsi, conformément au but recherché, il est possible, grâce à l'invention, de déterminer la granu- lométrie d'un nuage de particules ou la rugosité d'une surface à distance et sans contact, donc sans perturber le milieu à analyser, et éventuellement en temps réel, ce qui donne la possibilité d'une analyse continue d'un milieu évolutif. Eventuellement, la fonction f (r) peut être nulle ou inférieure à la valeur précédente dans le domaine o défini précédemment (cas d'un cache central opaque). Dans une première mise en oeuvre du procédé de l'invention, il est possible de prévoir que la multipli- cation en intensité. de la figure de diffraction par la fonction f(r) et la transformation inverse de Fourier sont effectuées par des moyens de calcul électronique. Ce calcul mathématique est en principe effectué à l'aide d'un ordinateur. Les résultats ainsi obtenus sont alors dotés d'une bonne précision, mais le processus est rela- tivement lent et ne permet pas le suivi en temps réel d'un phénomène évolutif; en outre, le matériel utilisé est lourd, encombrant et fragile. Toutefois cette solu- tion peut être retenue lorsque la précision du résultat est requise alors qu'une grande vitesse d'analyse n'est pas impérative. Dans une autre mise en oeuvre du procédé de l'invention, on prévoit que la figure de diffraction est multipliée optiquement, en intensité, par un dispositif optique de filtrage spatial d'amplitude ou de phase situé dans le plan focal image de la lentille conve- gente précitée, et en ce qu'on forme optiquement le spectre de granulométrie ou de rugosité à l'aide d'une seconde lentille convergente dont le foyer objet est situé au foyer image de la première lentille convergen- te. Cette mise en oeuvre purement optique du procédé de l'invention autorise une mesure en continu et en temps réel permettant de suivre un phénomène évolutif; en outre, un autre intérêt primordial réside dans le fait que l'appareillage correspondant est un appareillage purement optique, relativement léger, peu encombrant et robuste (et en tout état de cause beaucoup plus léger, beaucoup moins encombrant et plus robuste que le maté- riel électronique utilisé pour la première mise en oeuvre possible du procédé), qui est par exemple suscep- tible d'être embarqué à bord d'un véhicule tel qu'un missile ou analogue, tout en procurant une précision de mesure satisfaisante pour la plupart des applications envisageables. Selon un second de ses aspects, l'invention propose un appareil de mesure, sans contact, de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend - une lentille convergente (9) apte à former une figure de diffraction du nuage de particules ou de la surfa- ce, - des moyens multiplicateurs (10) agencés pour multi- plier, en intensité, cette figure de diffraction par une fonction f(r) telle que A (r15 + Br 4) ( fr) ( A (r + Br 4 o o avec A = constante déterminée par étalonnage de l'appareil, B = constante o g B ( 0,1 r = distance mesurée dans le plan focal de la lentil- le par rapport à l'axe optique de celle-ci r = rayon maximum utile du filtre spatial, - et des moyens (11) agencés pour effectuer sur le - et des moyens 2 6 2 1 1 2 4 résultat de la multiplication en intensité précitée, une transformation inverse de Fourier dont le résultat constitue le spectre recherché de granulométrie du nuage de particules ou le spectre recherché de rugo- sité de la surface. Il est possible d'avoir recours à un cache central opaque, la fonction f(r) étant alors nulle ou inférieure à la valeur précitée dans le domaine o ( r ( r /4, c'est-à-dire en dehors du domaine précédemment o défini. Il est possible de réaliser cet appareil sous forme électronique, en prévoyant que les moyens multi- plicateurs en intensité et les moyens effectuant la transformation inverse de Fourier sont constitués sous forme de calculateurs électroniques. Toutefois, pour les nombreuses applications o il est souhaitable d'effectuer des mesures en temps réel pour suivre un phénomène évolutif et o l'on désire un appareil léger et peu encombrant, on prévoit que les moyens effectuant la transformation inverse de Fourier comprennent une seconde lentille convergente disposée de manière que son foyer objet soit situé au foyer image de la première lentille, et que les moyens multiplicateurs en intensité comprennent un dispositif optique de fil- trage spatial d'amplitude situé au foyer image de la première lentille et au foyer objet de la seconde len- tille, ce grâce i quoi, lorsque l'appareil reçoit un rayonnement électromagnétique ayant traversé le nuage de particules ou réfléchi par la surface, le spectre de granulométrie du nuage de particules ou de rugosité de la surface est formé dans le plan focal image de la seconde lentille. Dans un exemple de réalisation d'un tel appareil purement optique, le dispositif optique de filtrage est un filtre dont l'opacité diminue en s'écartant de l'axe optique du système. 262 1 124 Dans un autre exemple de réalisation de cet appareil, le dispositif optique de filtrage est un cache opaque dont la surface entre deux rayons r et r + dr croit de façon telle que l'intensité traversant l'anneau correspondant croit suivant la loi f {r) précitée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de deux modes de réa- lisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs, et dans laquelle on se réfère au dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente de façon très schématique la constitution d'un appareil optique conforme à l'in- vention permettant la mesure de la granulométrie d'un nuage de particules, et - la figure 2 représente de façon très schématique la constitution d'un appareil optique conforme à l'inven- tion permettant la mesure de la rugosité de la surface d'un corps, et - la figure 3 est une représentation très schématique d'un appareil électronique conforme à l'invention, destiné à la mesure de la granulomtrie d'un nuage de particules. Conformément à l'invention, on éclaire la zone à analyser à l'aide d'un faisceau lumineux émis par une source de lumière cohérente, ce faisceau lumineux tra- versant le nuage des particules dont on souhaite connai- tre la granulométrie ou étant réfléchi par la surface dont on souhaite connaître la rugosité. Ce faisceau lumineux cohérent parvient alors à une lentille convergente qui fournit une figure de dif- fraction du nuage de particules ou de la surface ru- gueuse. Cette figure de diffraction est ensuite multi- pliée en intensité par une fonction f(r) telle que A (r1'5 + Br 4) f(r) 4 A (r4 + Br 4) o o cette multiplication pouvant être effectuée par voie électronique au moyen d'un calculateur électronique ou par voie purement optique par des moyens qui seront indiqués plus loin. Dans les expressions ci-dessus, A est une cons- tante d'appareillage qui peut se calculer à partir de la théorie de la diffraction de Fraunhofer et de la réponse du détecteur utilisé;dans le cas d'un processus purement optique, le coefficient A est déterminé en pratique par étalonnage de l'appareil sur un objet diffractant connu préalablement, tel qu'un trou unique; B est une constante caractérisant le pouvoir de transmission du filtre spatial d'amplitude ou de phase, dont la valeur est comprise entre 0 (cache central opaque) et 0,1: r est la distance mesurée dans le plan focal de la lentille convergente par rapport à l'axe optique de celle-ci; et r est le rayon maximal utile du filtre o spécial. On fait alors subir au résultat de cette multi- plication en intensité une transformation inverse de Fourier, soit par voie électronique à l'aide d'un cal- culateur électronique mettant en oeuvre les algorithmes appropriés connus de l'homme de l'art, soit par voie purement optique comme expliqué plus loin. On obtient ainsi un spectre de granulométrie qui peut être réparti en classes de particules ou bien, selon le cas, un spectre de rugosité de la surface. Bien qu'elle fournisse un résultat doué d'une très bonne précision qui est intéressant pour certaines applications, la voie électronique mettant en oeuvre des moyens électroniques de calcul mathématiques présentent cependant les inconvénients résidant dans la lenteur du traitement des informations et de l'obtention du résul- tat, et donc corrélativement dans l'impossibilité de suivre en temps réel un phénomène évolutif, et résidant aussi dans l'encombrement excessif du matériel utilisé qui restreint ses conditions d'emploi (impossibilité 2 6 2 1 1 2 4 d'embarquer le matériel dans un véhicule tel qu'un missile). C'est pourquoi la voie purement optique qui éli- mine tous ces inconvénients, tout en fournissant des résultats d une précision suffisante pour des applica- tions courantes, semble être la plus avantageuse et deux exemples d'appareils purement optiques, l'un pour la mesure de granulométrie d'un nuage de particules et l'autre pour la mesure de la rugosité d'une surface, sans contact et en temps réel, vont maintenant être plus particulièrement décrits de façon détaillée en référence aux figures 1 et 2. Les appareils représentés aux figures 1 et 2 possèdent des parties communes et, sur ces figures, les organes identiques sont désignés par les mêmes référen- ces numériques. En se reportant tout d'abord à la figure 1, l'appareil de mesure de la granulométrie d'un nuage de particules, désigné dans son ensemble par la référence 1, comporte une source de lumière cohérente 2 dont le rayonnement peut être repris par une lentille 3 pour former un faisceau à rayons parallèles 4 qui est dirigé sur le nuage de particules 5 à analyser et traverse celui-ci. En se reportant maintenant à la figure 2, l'ap- pareil de mesure de la rugosité de la surface d'un corps, désigné dans son ensemble par la référence 6, comporte une source de lumière cohérente 2 dont le rayonnement est repris par une lentille 3 pour former faisceau à rayons parallèles 4 qui est dirigé sur la surface 7 du corps 8 à analyser. Le faisceau 4, ayant traversé le nuage de parti- cules 5 dans l'appareil 1 ou ayant été réfléchi par la surface 7 dans l'appareil 6, parvient sur une première lentille convergente 9 qui forme optiquement une figure de diffraction du nuage ou de la surface, respective- ment. Dans le plan focal image de la première lentille 9 est disposé un dispositif optique 10 de filtrage spatial d'amplitude ou de phase qui multiplie optique- ment, en intensité, la figure de diffraction formée par la première lentille. Le dispositif de filtrage optique 10 peut être un filtre dont l'opacité diminue en s'écartant de l'axe optique du système, et l'intensité lumineuse le traversant suit la loi f(r) énoncée plus haut. Le centre de ce filtre peut éventuellement être noirci et totalement opaque (B = o dans la formule précitée). Le dispositif de filtrage optique 10 peut aussi être constitué par un cache opaque dont la surface entre deux rayons r et r + dr croit de façon telle que l'in- tensité lumineuse traversant l'anneau correspondant croit selon la loi f(r). Enfin, une deuxième lentille convergente 11, dont le foyer objet est situé au foyer image de la pre- mière lentille, effectue optiquement la transformée de Fourier appropriée du signal optique et forme le spectre de granulométrie (pour l'appareil 1) ou de rugosité (pour l'appareil 6) dans son plan focal image 12. Le spectre de granulométrie ou de rugosité ainsi recueilli dans le plan focal 12 peut être exploité par tous moyens appropriés connus de l'homme de l'art et sortant du cadre de la présente invention. Ainsi, un appareil agencé conformément i l'in- vention permet d'obtenir le spectre de granulométrie d'un nuage de particules ou le spectre de rugosité de la surface d'un corps de façon continue, en temps réel, et sans contact, en ayant recours à un matériel purement optique, donc relativement peu encombrant, léger et robuste, pouvant éventuellement être embarqué facilement à bord d'un véhicule tel qu'un missile ou une fusée, et qui procure une précision de mesure satisfaisante pour la plupart des types de mesure envisagés. A la fig. 3 est représenté schématiquement un appareil électronique permettant de fournir le spectre de granulométrie d'un nuage de particules 13. Un faisceau de lumière cohérente 14 est dirigé sur le nuage de particules 13 et est focalisé par une lentille convergente 15 (les particules 13 pouvant se trouver soit avant, soit après la lentille 15). Le faisceau en provenance de la lentille 15 est repris et réfléchi par un miroir oscillant 16. La figure de diffraction peut donc être déplacée sur une trajectoire circulaire 17 sur laquelle est disposé un détecteur fixe 18, tel qu'un photomultiplicateur, sensible à la lumière du faisceau cohérent et fournissant un signal électrique analogique I (r). Ce signal analogique est traité par un convertisseur analogique/numérique 19 avant d'être appliqué à une première entrée d'un dispositif multiplicateur 20. Le déplacement angulaire du miroir 16 est détec- té par un détecteur de position angulaire 21 fournissant un signal électrique analogique qui est traité par un convertisseur analogique/numérique 22. Le signal numé- rique de sortie de ce dernier est multiplié par la fonc- tion f(r) précitée dans un dispositif multiplicateur 23, dont la sortie est reliée i une seconde entrée du dispositif multiplicateur 20. Le signal de sortie du multiplicateur 20. repré- sentatif du produit I(r).f(r),. est ensuite appliqué à un analyseur de spectre 24 utilisant par exemple les algorithmes connus de transformation rapide de Fourier qui fournit un spectre de granulométrie ou de rugosité de surface qui est affiché par un dispositif d'affichage 25. Bien entendu, toute la partie de traitement des signaux électriques, représentée à la figure 3 dans le cadre en tirets 26, peut être effectuée à l'aide d'un ordinateur. 262 1 124 ll On notera que les calculs peuvent également être effectués en utilisant des dispositifs multiplicateurs et des analyseurs de spectres purement analogiques; toutefois, dans ce cas la précision est moins bonne que celle obtenue en passant par une conversion analogique/- numérique des informations. L'appareillage représenté à la figure 3 pourra convenir pour toutes les applications dans lesquelles une grande précision de calcul est requise pour la détermination du spectre de granulométrie, mais dans lesquelles la rapidité d'obtention du résultat n'est pas requise étant donné que cet appareillage ne fonctionne pas en temps réel. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure, en temps réel et sans contact, de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface caractérisé en ce que: - on forme une figure de diffraction du nuage de parti- cules ou de la surface du corps, à l'aide d'une len- tille convergente, - on multiplie, en intensité, cette figure de diffrac- tion par une fonction f(r) telle que A(r1' 5 + Br) (f(r) ( A (r + Br 4 o o avec A = constante déterminée par étalonnage, B = constante: o ( B ( 0,1 r = distance mesurée dans le plan focal de la lentil- le par rapport à l'axe optique de celle-ci r = rayon maximum utile du filtre spatial, o - et on effectue, sur le résultat de cette multiplica- tion, une transformation inverse de Fourier dont le résultat constitue le spectre recherché de granulo- métrie du nuage de particules ou le spectre recherché de rugosité de la surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction f(r) est nulle ou inférieure à la valeur précédente dans le domaine o ( r ( r /4, o 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la multiplication en intensité de la figure de diffraction par la fonction f(r) et la transformation inverse de Fourier sont effectuées par des moyens de calcul électronique. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la figure de diffraction est multipliée optiquement, en intensité, par un dispositif optique de filtrage spatial d'amplitude ou de phase situé dans le plan focal image de la lentille convergente précitée, et en ce qu'on forme optiquement le spectre de granulométrie ou de rugosité à l'aide d'une seconde lentille convergente dont le foyer objet est situé au foyer image de la première lentille convergente. 5. Appareil de mesure, en temps réel et sans contact, de la granulométrie d'un nuage de particules ou de la rugosité d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend: - une lentille convergente (9, 15) apte à former une figure de diffraction du nuage de particules ou de la surface, - des moyens multiplicateurs (10, 20) agencés pour multiplier, en intensité, cette figure de diffraction par une fonction f(r) telle que A (r15 + Br 4) f(r) ( A (r + Br 4 o o avec A = constante déterminée par étalonnage de l'appa- reil, B = constante o ( B ( 0,1 r = distance mesurée dans le plan focal de la lentil- le par rapport à l'axe optique de celle-ci r = rayon maximum utile du filtre spatial, o - et des moyens (11, 24) agencés pour effectuer, sur le résultat de la multiplication en intensité précitée. une transformation inverse de Fourier dont le résultat constitue le spectre recherché de granulométrie du nuage de particules ou le spectre recherché de rugo- sité de la surface. 6. Appareil selon la revendication 5, caractéri- sé en ce qu'il est prévu un cache central opaque, la fonction f(r) étant alors nulle ou inférieure i la valeur précédente dans le domaine o 4 r 4 r o/4. 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6. caractérisé en ce que les moyens multiplicateurs en intensité (20) et les moyens effectuant la transformation inverse de Fourier (24) sont constitués sous forme de calculateurs électroniques. 262 1 124 8. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens effectuant la transformation inverse de Fourier comprennent une seconde lentille convergente (11) disposée de manière que son foyer objet soit situé au foyer image de la première lentille et en ce que les moyens multiplicateurs en intensité comprennent un dispositif optique de filtrage spatial d'amplitude ou de phase (10) situé au foyer image de la première lentille et au foyer objet de la seconde lentille, ce grâce à quoi, lorsque l'appareil reçoit un rayonnement électromagnétique ayant traversé le nuage de particules ou réfléchi par la surface, le spectre de granulométrie du nuage de particules ou de rugosité de la surface est formé dans le plan focal image (12) de la seconde lentille (11). 9. Appareil de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage optique est un filtre dont l'opacité diminue en s'écartant de l'axe optique du système. 10. Appareil de mesure selon la revendication 8. caractérisé en ce que le dispositif de filtrage optique est un cache opaque dont la surface entre deux rayons croit de façon telle que l'intensité traversant cette surface annulaire croit suivant la loi f(r) précitée.