Brevet FR2677452A1 — publié le 19921211

La présente invention concerne un procédé et un appareil destinés à déterminer des répartitions de dimensions de particules dans la plage comprise entre 0,03 et 10 pm en mesurant l'extinction de lumière spectrale pendant la sédimentation de particules suspendues dans un liquide transparent, le procédé incluant les étapes consistant à: mesurer des transmissions respectives, à travers la suspension, de lumières de longueurs d'ondes différentes en réponse au temps de décantation et calculer la répartition des dimensions de particules à partir des transmissions de lumière mesurées, et l'appareil comprenant une cuvette transparente de mesure dans laquelle une suspension de particules est reçue dans un liquide transparent, un moyen d'éclairage pour éclairer par transparence la cuvette de mesure à l'aide de pinceaux lumineux de différentes longueurs d'ondes, au moins un photodétecteur pour mesurer les transmissions de lumière pendant la sédimentation, et un moyen analyseur (ordinateur) pour calculer la répartition de dimensions de particules à partir des mesures de transmission, On connait depuis longtemps des procédés et des appareils destinés à déterminer des répartitions de dimensions de particules par photosédimentation La vitesse de décantation des particules en suspension dans le liquide transparent constitue ici la mesure des dimensions de particules La sédimentation peut, en principe, être effectuée dans un champ de pesanteur ou dans un champ de centrifugeuse L'atténuation d'un pinceau lumineux traversant la suspension est la mesure de la quantité, c'est-à- dire du nombre de particules dans un intervalle ou une classe de dimensions. On applique classiquement deux procédures différentes de sédimentation Dans le cas de la technique à couches superposées (technique de ligne de départ) une couche de suspension concentrée est superposée, au début de l'analyse, à un corps de liquide clair Dans le cas de la technique de suspension, la suspension est mélangée de façon uniforme au début de l'analyse. Avec la technique de suspension, lorsque les mesures de transmission T(t) ont été effectuées dans une photocentrifugeuse en réponse au temps de décantation (t), la répartition q 3 (x) de dimensions de particules peut être calculée par une solution numérique de l'équation intégrale In( = f K| x/X exp( 2 F x 2 (t)) q 3 (x) dx o o O I R 1 F = (p -pf) /1811, a(t) =I(û()2 d Sc It) N (r)F Q Wt dans laquelle K(rx/X) est la fonction d'extinction qui dépend de la matière, pf est la densité du liquide de suspension, i est la viscosité du liquide de suspension, est la densité des particules solides, c est une constante, w est la vitesse de rotation de la centrifugeuse, r est le rayon intérieur de la cuvette, R est le rayon auquel la mesure de transmission est effectuée. La fonction d'extinction K doit être connue pour permettre le calcul de la répartition q 3 (x) de dimensions de particules Il fait partie de l'état de l'art, soit de supposer que la fonction d'extinction K est constante, soit de calculer la fonction d'extinction selon la théorie de Mie Le premier choix provoque des erreurs importantes lorsque des particules sont petites par rapport à la longueur d'onde La deuxième possibilité n'existe qu'avec des particules sphériques pour lesquelles les données optiques de la matière sont connues, ce qui n'est généralement pas le cas Il est inhabituel que les particules soient sphériques. On connaît un procédé de photosédimentation sous l'effet de le pesanteur dans lequel les particules se déplacent le long de trajets droits, parallèles On l'appelle la photosédimentation spectrale, et la fonction d'extinction peut être déterminée expérimentalement pendant l'analyse Dans ce but, l'analyse doit être entreprise avec des lumières de longueurs d'ondes différentes (publication préalable-de documents à présenter à la quatrième conférence sur l'analyse des dimensions de particules, ou Fourth Particle Size Analysis Conference, Loughborough University of Technology, Angleterre, 21 à 24 septembre 1981, R Weichert, pages 28 à 35). Il n'a pas été possible jusqu'ici d'appliquer le procédé de photosédimentation spectrale dans l'analyse par photosédimentation dans une centrifugeuse parce que les particules ne se déplacent pas le long de trajets parallèles, ce qui est une condition indispensable pour la photosédimentation spectrale dans le champ de la pesanteur. C'est le but de la présente invention que de fournir un procédé et un appareil prévus pour la sédimentation dans une centrifugeuse, tels que la répartition des dimensions de particules peut être déterminée lorsque la fonction d'extinction des particules à analyser est inconnue. Selon un premier aspect, l'invention fournit un procédé du type décrit dans l'introduction et caractérisé en ce que la sédimentation est effectuée dans un champ centrifuge, en ce que les transmissions de lumière concernant des lumières de différentes longueurs d'ondes sont mesurées en réponse au temps de décantation (t) et sont mémorisées dans une mémoire, et en ce que la répartition des dimensions de particules est déterminée au moyen de solutions numériques séparées de l'équation intégrale suivante pour les longueurs d'ondes de lumière utilisées et des valeurs mémorisées de transmission de lumière (procédé de décomposition pondérée par valeurs singulières) 4 (t) I n 15 (T(,t)) = K(x/X) exp( 2 F x 2 f(t")) q 3 (x)dx avec F= (p, pf) / 181, (t) =J(())z 2 d,) In ( R I = ' F)=(F Q(t) dans laquelle K( 7 rx/) est la fonction d'extinction qui dépend de la matière, f est la densité du liquide de suspension, est la viscosité du liquide de suspension, ps est la densité des particules solides, c est une constante, X est la vitesse de rotation de la centrifugeuse, r est le rayon intérieur de la cuvette, R est le rayon auquel la mesure de transmission est effectuée. à la suite de quoi D de C(Ui,X) pour i= 1,2,. est déterminée à partir de 4 (Ni,x) = K(rx/Xi) q 3 (x) K(a=rx />,i) et q 3 (x) pour i = 1, 2, au moyen de au K (a)= K (a) exp (1 c o K(a 0) est donné par l'approximation de Fraunhofer puisque a O > 350. Les mesures de transmission de lumière en réponse au temps de décantation peuvent être effectuées pour au moins deux, spécialement quatre, longueurs d'ondes, pour une série d'épaisseurs de couches, en particulier pour deux couches, spécialement de 5 mm et mm pour une série de distances de sédimentation, spécialement pour deux distances différentes, spécialement pour 2 mm et 20 mm. De façon avantageuse, on fait varier l'accélération centrifuge pendant les mesures afin de couvrir une grande plage de dimensions de particules et de parvenir à une sédimentation presque constante. De préférence, les mesures sont, alors, effectuées d'abord à une faible vitesse de rotation, adaptée à la vitesse de décantation des particules grossières, puis à des vitesses de rotation croissantes de façon continue, et finalement à une haute vitesse de rotation pour déterminer les petites particules. Selon un deuxième aspect, l'invention réalise un appareil du type mentionné dans l'introduction caractérisé en ce qu'il est prévu: une photocentrifugeuse pour la réception d'au moins une cuvette de mesure, et un moyen analyseur apte à déterminer la répartition de dimensions de particules au moyen de solutions numériques séparées de l'équation intégrale mentionnée ci-dessus, dans le paragraphe concernant le procédé objet du premier aspect de l'invention, pour les longueurs d'ondes lumineuses utilisées (procédé de décomposition pondérée par valeurs singulières), l'équation étant résolue selon le procédé de l'invention. Le moyen d'éclairage peut être prévu pour éclairer par transparence la cuvette de mesure à l'aide de trois à cinq, spécialement quatre longueurs d'ondes différentes La cuvette de mesure peut être prévue pour deux épaisseurs différentes de couches de la suspension, spécialement pour 5 mm et 20 mm. Il peut être prévu des cuvettes de mesures pour différentes distances de sédimentation, spécialement 2 mm et 20 mm. La photocentrifugeuse est de préférence du type à vitesse de rotation variable. Pour évaluer mathématiquement les données de mesure obtenues, on calcule en premier lieu pour chaque longueur d'onde >i, sur la base de la mesure respective de transmission de lumière 4 (i,x) = K(vx/\i) q 3 (x) puis, on détermine K(a) selon " K(a) =K(ac) exp (g - %Xda) et on détermine finalement Co q 3 (x) à partir de K(a) et e(Xi, x) = K(rx/Xi) q 3 (x) L'invention permet de déterminer la photosédimentation de répartitions de dimensions de fines particules, comprises entre 0,03 et 10 pm, même lorsque les données optiques de la matière ou le facteur d'extinction sont inconnus Il est possible de couvrir une large plage de dimensions de particules. Les temps d'analyse sont relativement courts En outre, les paramètres d'exploitation consistent en une direction presque constante de sédimentation et un mince pinceau lumineux traversant la suspension. La source lumineuse doit être d'une grande brillance parce qu'il est alors possible de diriger des pinceaux lumineux étroits à travers la suspension. En outre, il est commode d'utiliser une centrifugeuse dans laquelle la vitesse de rotation commandée (dn) = f(-) dt afin de pouvoir déterminer une large plage de dimensions de particules et aussi parce qu'une direction de sédimentation presque constante peut alors être obtenue. Lorsque l'on utilise une centrifugeuse à vitesse de rotation commandée, la vitesse de rotation est faible au début de l'analyse Pendant ce temps, il est possible de détecter les grosses particules qui se décantent rapidement Puis, la vitesse de rotation est augmentée de façon continue sous commande du calculateur, en prenant soin qu'il ne se forme aucun tourbillon dans la suspension Vers la fin de l'analyse, à des vitesses de rotation élevées, même des petites particules sont déterminées dans les mesures. La photosédimentation spectrale doit s'effectuer dans le champ de la centrifugeuse, les mesures d'extinction étant effectuées pour au moins deux longueurs d'ondes différentes. Les particularités et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention prise en liaison avec les dessins annexés dans lesquels; la FIG 1 représente la structure de base du dispositif de mesure, la FIG 2 représente les transmissions T mesurées avec les quatre photodétecteurs pour les quatre longueurs d'ondes en réponse à la dimension de particules x pour un premier niveau de sédimentation, de 2 mm. la FIG 3 représente les transmission T mesurées dans des conditions semblables, sauf que le niveau de sédimentation est ici de 20 mm. La structure de base du dispositif de mesure est représentée à titre d'exemple dans le dessin annexé, FIG 1 Une fente est éclairée par la lumière provenant d'une source lumineuse 1 et elle forme une image au milieu d'une cuvette 3 à l'aide d'une lentille (non représentée) Une lame séparatrice 2 est disposée derrière la lentille pour diviser le pinceau lumineux en un pinceau de référence et un pinceau de mesure Le pinceau de mesure est encore divisé en un pinceau partiel supérieur de mesure pour un niveau de mesure 11 et un pinceau partiel inférieur de mesure pour un niveau de mesure 12 Le pinceau de référence peut être focalisé par une lentille additionnelle sur l'ouverture d'un photoconducteur qui se ramifie en trois branches différentes La cuvette 3 est suivie, à chacun des deux niveaux de mesure, par une lentille 4, un photoconducteur (faisceau de fibres) de petit diamètre étant disposé dans les plans focaux de ces dernières, et centré par rapport à l'axe optique La lumière est envoyée à travers les deux photoconducteurs, en vue d'une mesure de transmission, dans des boîtes de mesure, entre lesquelles il est possible de faire des commutations à l'aide de volets Chacune des boîtes de mesure, dont une seule est représentée, comporte un photoconducteur pour la lumière de référence et un photoconducteur pour la lumière de mesure Des cubes à lames séparatrices servent à soumettre la lumière provenant du photoconducteur à une division par quatre, et quatre filtres d'interférence différents F 1 à F 4 limitent alors la lumière à des plages étroites de longueurs d'ondes (>Q à >\ 4), à la suite de quoi la lumière parvient à un photodétecteur associé respectif Dl à D 4 Le photodétecteur comprend une photodiode à amplificateur hybride incorporé Un signal de tension proportionnel à l'intensité lumineuse est engendré Des lentilles de longueurs focales égales servent à former l'image du photoconducteur sur la zone active de détecteur de la diode et assurent qu'il existe une lumière presque parallèle dans la zone des cubes à lames séparatrices. L'appareil comprend en outre un moyen analyseur, incorporé dans un ordinateur, pour convertir en la répartition de dimensions de particules recherchées les signaux mesurés et numérisés, en ayant recours aux équations intégrales indiquées. Les Fig 2 et 3 représentent les transmissions T mesurées avec les quatre photodétecteurs pour les quatre longueurs d'ondes > à > 4 en réponse à la dimension de particules x (dans l'échelle d'abscisse logarithmique) pour un niveau de sédimentation de 2 mm et de 20 mm, respectivement, avec une profondeur de cuvette de 20 mm dans chaque cas, dans la direction du pinceau. Revendications: 1 Procédé de détermination des répartitions de dimensions de particules dans la plage comprise entre 0,03 et 10 pm en mesurant l'extinction de lumière spectrale pendant la sédimentation de particules suspendues dans un liquide transparent, selon lequel les transmissions respectives (T) à travers la suspension, de lumières de longueurs d'ondes différentes Ai (i = 1, 2,) sont mesurées en réponse au temps de décantation (t) et la répartition q 3 (x) des dimensions de particules est calculée à partir des transmissions de lumière mesurées, caractérisé en ce que la sédimentation est effectuée dans un champ centrifuge, en ce que les transmissions T(\, t) de lumière concernant des lumières de différentes longueurs d'ondes Xi (i = 1, 2,) sont mesurées en réponse au temps de décantation (t) et sont mémorisées dans une mémoire, et en ce que la répartition q 3 (x) des dimensions de particules est déterminée au moyen de solutions numériques séparées de l'équation intégrale suivante pour les longueurs d'ondes de lumière utilisées \i (i = 1, 2,) et des valeurs mémorisées (T) de transmission de lumière (procédé de décomposition pondérée par valeurs singulières) 0 t) In(TJ)> = c JK(x'x) exp( 22 FX 2 Q(t)) q 3 (x)dx o avec t F =(Ps Pf)1811, Qi(t) =J((T))2 dr, (t) = In) F (t) à la suite de quoi 1 _a de(À,x) pour i = 1,2,. est déterminée à partir de e(Xi,x) = K(rx/Xi) q 3 (x) K(a=rx /Ai) et q 3 (x) pour i = 1, 2, au moyen de a K(c) = K(a)exp ( I x: i;-, da a O o K(ao) est donné par l'approximation de Fraunhofer. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures T(\,t) de transmission de lumière en réponse au temps de décantation (t) sont effectuées pour au moins deux, spécialement quatre longueurs d'ondes (>\ 1, X 2, x 3 p 4 i). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures T(\,t) de transmission de lumière en réponse au temps de décantation (t) sont effectuées pour une série d'épaisseurs de couches, en particulier pour deux couches, spécialement de 5 mm et 20 mm. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les mesures T(\,t) de transmission de lumière en réponse au temps de décantation (t) sont effectuées pour une série de distances de sédimentation, spécialement pour deux distances différentes, spécialement pour 2 mm et 20 mm. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait varier l'accélération centrifuge pendant les mesures afin de couvrir une grande plage de dimensions de particules et de parvenir à une sédimentation presque constante. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que des mesures sont d'abord effectuées à une faible vitesse de rotation, adaptée à la vitesse de décantation des particules grossières, puis à des vitesses de rotation croissantes de façon continue, et finalement à une haute vitesse de rotation pour déterminer les petites particules. 7 Appareil de détermination des répartitions de dimensions de particules en mesurant l'extinction de lumière spectrale des particules, comprenant une cuvette transparente ( 3) de mesure dans laquelle une suspension de particules est reçue dans un liquide transparent, un moyen d'éclairage ( 1) pour éclairer par transparence la cuvette ( 3) de mesure à l'aide de pinceaux lumineux de différentes longueurs d'ondes Xi(i 1, 2,), au moins un photodétecteur (D 1 à D 4) pour mesurer les transmissions T(>,t) de lumière pendant la sédimentation, et un moyen analyseur (ordinateur) pour calculer la répartition de dimensions de particules à partir des mesures de transmission, caractérisé en ce qu'il est prévu: une photocentrifugeuse pour la réception d'au moins une cuvette ( 3) de mesure, et un moyen analyseur apte à déterminer la répartition q 3 (x) de dimensions de particules au moyen de solutions numériques séparées de l'équation intégrale suivante pour les longueurs d'ondes lumineuses Xi(i = 1, 2,) utilisées (procédé de décomposition pondérée par valeurs singulières) Et I) In (T(t)) = c exp ( 2 F x 2 (t)) q 3 (x) dx O avec Int F=(Ps Pf) I 18 w, (( t) J(A( r)2 d Q (t) à la suite de quoi 1 àO del(Ai,x) i dû pour i = 1,2,. est déterminée à partir de e(\i,x) = K(rx/\i) q 3 (x) K(a=rx /Xi) et q 3 (x) pour i = 1, 2, au moyen de K(a) =K(ao)exp ( J)% da) o K(ao) est donné par l'approximation de Fraunhofer 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'éclairage ( 1) est prévu pour éclairer par transparence la cuvette ( 3) de mesure à l'aide de trois à cinq, spécialement quatre longueurs d'ondes différentes Xl, X 2, 9 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la cuvette ( 3) de mesure est prévue pour deux épaisseurs différentes de couches de la suspension, spécialement pour 5 mm et 20 mm. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est prévu des cuvettes ( 3) de mesures pour différentes distances de sédimentation, spécialement 2 mm et 20 mm. 11 Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé par une photocentrifugeuse à vitesse de rotation variable.