Brevet FR2704650A1 — publié le 19941104

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA DETECTION ET L'IDENTIFICATION INSTANTANEES D'UNE ENTITE. L'invention concerne un procédé permettant de réaliser l'identifica- tion qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico- chimiques comprises dans un fluide, et ce de manière instantanée. Elle concerne également un dispositif intégré et compact, susceptible de mettre en oeuvre ce procédé. On cherche de plus en plus à pouvoir réaliser une analyse instantanée d'échantillons fluides, liquides ou gazeux, c'est à dire sans traitement physique ou chimique préalable, et sans adjonction d'un quelconque réactif. L'interêt de disposer d'une telle possibilité se manifeste notamment dans les domaines de la pollution, de la toxicité, bref, dans le domaine de l'environnement, et d'une manière générale dans tous les domaines dans lesquels l'identification d'une entité quelconque induit le déclenchement d'un certain nombres de processus. Or, on ne dispose actuellement pas de dispositif susceptible d'effectuer cette analyse instantanée et susceptible d'être opérationnelle pour une gamme d'entités suffisamment larges afin d'être réellement utilisable. Tout au plus dispose-t-on d'une technique mettant en oeuvre un dispositif exploitant une ou deux longueurs d'ondes différentes du spectre d'absorption, pour mesurer la concentration de certaines espèces chimiques. Ils conduisent à des résultats peu satisfaisants dans la mesure o le nombre d'entités détectables est réduit, et o les concentrations mesurées sont relativement approximatives. De manière plus conventionnelle, les dispositifs dont on dispose sont constitués par des chaînes de mesure ou des centrales d'acquisition, dans lesquelles chacune des parties a une fonction propre, à savoir détecteur, monochromateur, unité de traitement. L'objet de l'invention est de proposer un procédé susceptible de traiter en ligne des informations issues de détecteurs multi-longueurs d'ondes, et notamment de fournir outre des indications qualitatives, également la concentration de certains espèces chimiques pré- déterminées, et partant, estimer la qualité d'un échantillon en comparant les informations ainsi recueillies à celles contenues dans une base de données, de telle sorte à constituer un système expert. Ce procédé pour la détection et l'identification instantanées d'une pluralités d'entités dans un milieu donné se caractérise en ce qu'il consiste: - à exciter le milieu par une onde électromagnétique mono- ou poly- chromatique; - à capter le spectre d'émission, d'absorption ou de réflectance émis par ledit milieu au moyen d'un dispositif sensible à l'ensemble des longueurs d'onde dudit spectre; - à traiter le spectre optique ainsi capté au moyen d'un ensemble de traitement, apte à déduire de celui-ci après traitement numérique et comparaison avec une pluralité de spectres stockés dans une mémoire associée, la nature et la concentration d'entités déterminées contenues dans le milieu; - et à restituer ce résultat sous forme exploitable, à savoir tant sous forme sensorielle que sous la forme de signaux analogiques ou numériques, susceptibles d'être transmis à des organes fonctionnels en vue d'effectuer une action ou une séquence d'actions préalablement déterminées en fonction des signaux reçus. En d'autres termes, l'invention consiste à utiliser comme source d'information les spectres d'émission, d'absorption ou de réflexion du milieu ou d'un échantillon du milieu analysé, et à décorréler ces spectres en vue de déterminer les espèces en présence, responsables de la couleur. Cette analyse spectrale peut être effectuée instantanément et indépendemment de tout traitement préalable au niveau du milieu étudié, de sorte que l'on peut disposer d'une réponse très rapide, et partant d'appliquer ce procédé à tout type de systèmes experts. L'invention concerne également un dispositif susceptible de mettre en oeuvre ce procédé. Ce dispositif intégré pour réaliser une identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico- chimique contenues dans un échantillon, et susceptibles de restituer un spectre d'émission, d'absorption ou de réflectance sous l'excitation d'une onde électromagnétique se caractérise en ce qu'il comprend: - un monochromateur à champ plan au niveau duquel est acheminé le spectre d'émission, d'absorption ou de réflectance de l'échantillon analysé, et destiné, de manière connue, à décomposer ce spectre en une suite de signaux de variation discrète de longueur d'ondes, - un circuit de transformation desdits signaux en signaux analogiques ou numériques, couplé audit monochromateur, - une unité centrale, intégrant dans une mémoire associée une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser le spectre analogique ou numérique ainsi obtenu, et à comparer après décorrélation ce spectre aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico-chimiques prédéterminées dans l'échantillon. En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer au sein d'un même appareil, de forme par ailleurs compacte, différents organes susceptibles d'analyser en totalité un spectre d'absorption ou d'émission, et de déterminer la nature et la quantité respective d'un certain nombre d'entités prédéterminées contenues dans l'échantillon analysé. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le résultat de cette analyse, obtenu directement en clair, provoque l'induction par l'unité centrale du déclenchement automatique de signaux sensoriels ou l'activation d'organes déterminés, moteurs, robots,... De la sorte, de par ce dispositif, il est ainsi possible d'obtenir une analyse en ligne immédiate, et partant d'induire en fonction de cette analyse l'activation de tout organe associé, dans le cadre de la sécurité, de l'alerte, etc... Avantageusement, le circuit de transformation des signaux est constitué par une barrette de photodiodes ou par un circuit à transfert de charges (circuit type CCD), ou par tout autre détecteur susceptible de délivrer une impulsion sous forme numérique se référant à une longueur d'onde. En outre, l'acquisition du spectre d'émission, d'absorption ou de réflexion de l'échantillon analysé est constitué, si cet échantillon est liquide, par une cuve de dosage comportant aux moins deux parois parallèles en quartz, transparentes au faisceau excitateur électro- magnétique, ces parois pouvant éventuellement être virtuelles et alimentées par des dispositifs à fibres optiques par exemple. Dans le cadre de l'acquisition d'un spectre d'un échantillon gazeux, la cuve est remplacée par une cuve à réflexions multiples, également transparente au faisceau excitateur. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui de la figure unique annexée, correspondant à une représentation schématique du dispositif conforme à l'invention. Le dispositif conforme à l'invention et schématiquement représenté sur la figure I comporte fondamentalement une enceinte (1), au niveau de laquelle est acheminé par le biais d'un collimateur (2) et d'un objectif (3), le spectre d'émission ou d'absorption émis par un échantillon liquide ou gazeux. Ce spectre est acheminé par tout moyen connu, et notamment au moyen d'une fibre optique ou d'une pluralité de fibres optiques. On a représenté par la flèche A, l'arrivée de ce spectre au niveau de l'objectif (3) du collimateur (2). L'onde électromagnétique supportant ce spectre est ensuite réfléchie par un miroir (4) au niveau d'un monochromateur (5), constitué par un réseau à champ plan, destiné à diffracter les ondes électro-magnétiques qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ces différents faisceaux aboutissent à une barette linéaire de photo-diodes (6), destinées à transformer le signal électromagnétique reçu en un signal analogique, représentatif de l'intensité lumineuse dudit signal électromagnétique. De la sorte, la barette de photodiodes (6), la mosaïque CCD, ou tout autre dispositif équivalent restitue un spectre analogique sous la forme d'un histogramme, à partir d'un spectre décomposé par le monochromateur en une suite discrète de longueurs d'onde. Afin d'être susceptible lors de l'étape ultérieure un traitement numérique, notamment au niveau d'une unité centrale de traitement, les signaux analogiques issus de capteurs sont convertis en signaux numériques, au moyen d'un convertisseur analogique/numérique intégré audit capteur. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la barette est remplacée par un dispositif à transfert de charges (CCD), qui de manière connue, transforme directement un signal électromagnétique en signaux numériques. Les signaux numériques ainsi obtenus sont alors traités au niveau d'une unité centrale de traitement (7). Cette unité, avantageusement constituée par un micro-ordinateur intégré dans le corps (1) du dispositif, comporte une mémoire associée au niveau de laquelle est stockée une pluralité de spectres représentatifs d'entités physiques ou chimiques prédéterminées. En outre, un logiciel adapté est chargé dans cette unité de traitement (7), et est destiné à comparer le spectre issu du circuit à transfert de charges ou de la barrette de photodiodes, aux différents spectres stockés dans la mémoire associée. Pour ce faire, l'absorbance mesurée pour une longueur d'ondes déterminée est considérée comme étant égale à la somme des absorbances des différentes entités chimiques présentes dans l'échantillon, additionnée d'une contribution du fond spectral provenant des interférences. Un traitement numérique approprié effectué au niveau de ladite unité de traitement (7) compare les valeurs d'absorbance mesurées pour ladite longueur d'onde déterminée avec celle d'un fichier contenu dans la mémoire associée intégrant les valeurs d'absorbtivité des constituants à doser. Ce calcul conduit à une valeur précise de la concentration du constituant recherché. La cohérence entre la mesure et le modèle est assurée par l'utilisation de systèmes multimodèles, connus en soi, qui ajustent les valeurs mesurées et calculées de l'absorbance. Selon la phase de l'échantillon analysé, on utilise soit une cuve de dosage comportant au moins deux faces parallèles en quartz, et donc transparentes au faisceau excitateur, du type décrit dans le document FRA-2 674 959, soit au moyen d'une cuve à réflexions multiples s'il s'agit d'un gaz, cuve comprenant de manière connue une chambre résonnante dans laquelle ledit gaz est soumis à un faisceau incident excitateur, typiquement constitué par un rayonnement ultra-violet ou laser, susceptible de traverser ladite chambre et d'induire la sortie d'un rayonnement correspondant au spectre d'absorption et d'émission du gaz ou de l'air contenu dans ladite chambre. Dans une application particulière de l'invention, on peut procéder à une analyse in situ au moyen d'un faisceau laser fortement collimaté, et ce dans le cadre de contrôles de pollution de l'air ambiant, notamment en milieu industriel ou urbain. Une première application de ce dispositif consiste à opérer un dosage instantané d'espèces chimiques définies, telles que notamment des nitrates, phénol, chrome hexavalent, métaux - tel que le fer, le cuivre, le manganèse, le plomb, le zinc, le cadmium - produits organiques, chlorures, borates, phosphates, amonium, etc.... et ce dans un échantillon liquide. Cette application s'inscrit dans le cadre de recherches et de détermination des paramètres globaux de pollution, mais également d'analyse de toxicité de milieux liquides, notamment de mesure de potabilité de l'eau. De fait, outre la recherche des entités du type de celles précédemment énoncés, on mesure sur des échantillons d'eau brute, les valeurs du Carbone Organique Total, ou d'autres concepts, tels que la Demande Chimique en Oxygène, bien connue dans le domaine de la pollution, des matières oxydables, et dans certaines conditions de la Demande Biologique en Oxygène. A partir de ces données, le dispositif conforme à l'invention fournit un indice de qualité biologique, dont le résultat est obtenu directement, soit en dclair au niveau d'un écran associé à ladite unité centrale, soit sous forme de signaux numériques ou analogiques, susceptibles d'activer un déclenchement d'autres signaux sensoriels, lumineux ou sonores par exemple, soit encore l'activation d'organes particuliers. Dans ce dernier cas, on associe au dispositif une commande automatique de procédés industriels, dans lequel le dispositif précédent s'intègre dans les circuits commandant la fabrication de produits divers, notamment de produits chimiques. Ces mesures optiques peuvent en outre être complétées par l'adjonction par l'utilisateur ou collectées par l'ordinateur interne de données extérieures, telles que notamment celles provenant de capteurs de mesure de débit et de données physiques ou physico-chimiques comme le pH, le rH (potentiel Redox), la température, la conductivité, la quantité d'oxygène dissout, la turbidité, afin ainsi de constituer un "toximètre" automatique, c'est à dire un dispositif susceptible de mesurer automatiquement la toxicité d'un milieu donné et notamment de l'eau. Bien entendu, le dispositif de l'invention peut être couplé à un réseau de contrôle réalisé à partir d'une série de capteurs transmettant par téléphone, ondes radio ou voire par satellite les données recueillies sur les sites de contrôle, de sorte à pouvoir suivre en permanence la qualité d'une production industrielle, ou la qualité des eaux naturelles sur un bassin versant, voire le degré de pollution de l'air d'un site industriel ou d'une agglomération. En ajoutant une chaîne de mesures physico-chimiques à la station intégrée précédente, on aboutit à un nouvel appareil dans lequel il est possible, en introduisant une banque de données de spectres se référant à des scénarios identiques de pollution accidentelle, de classer en temps réel, les eaux en fonction de leur degré de qualité ou de toxidcité. Cette application peut également être affectée à la détermination de la qualité de l'air ambiant, notamment dans les locaux industriels. En d'autres termes, on réalise une station d'alerte, susceptible d'activer tout déclenchement d'alerte sonore ou visuelle, lorsqu'un certain seuil est dépassé ou d'induire l'activation d'organes moteurs, dans le cas d'espèce la fermeture de vannes, l'arrêt des pompes pour le réseau d'alimentation en eau potable, ou le lancement de programmes pré- établis d'alerte. De la même manière, couplé avec un dispositif de commande de l'alimentation en air atmosphérique d'un bassin de traitement biologique, il est possible en déterminant la DCO rentrante et les paramètres physico-chimiques, de commander intégralement une station de traitement des eaux usées et partant, de réduire sensiblement les coûts de fonctionnement et d'entretien d'une telle installation. Il est en outre possible de conférer au dispositif la capacité de détermination de la bio- dégradabilité d'une eau, et partant, de prévoir le fonctionnement de ladite station. Dans une toute autre application, il est connu que la couleur de la flamme d'une torche à plasma varie en fonction des métaux qu'elle rencontre. De fait et en analysant cette couleur par le dispositif de l'invention, il est possible de piloter en temps réel l'installation d'usinage. En effet, de manière connue, la couleur observée dépend directement des longueurs d'onde du spectres d'absorption ou d'émission correspondant. Dans ce domaine, le dispositif peut analyser de manière instantanée le spectre d'émission plasma. Outre ces différentes applications, le dispositif de l'invention peut également être utilisé en temps que spectrophotomètre de laboratoire, notamment dans le cadre d'anaylses en chromatographie en phase liquide haute pression, mais également lors de la mesure de dcinétique de réaction, en spectroscopie RAMAN et infrarouge, à des mesures de température de flammes ou de solides. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce dispositif peut être utilisé pour la détection et l'identification optique d'une entité et notamment dans le cadre d'identification et de reconnaissance de pièces. Ces pièces recoivent avantageusement un identificateur, constitué par exemple d'une pastille de quelques millimètres carrés, de forme quelconque, mais dont la couleur est spécifique et définie par sa longueur d'ondes. De fait, cette pastille présente un spectre d'absorption et d'émission typique et unique, du fait de l'unicité du spectre multi- longueurs d'onde correspondant à la couleur associée. Un code couleur peut alors être édité, et sert d'identificateur. Dans d'autres applications particulières, l'application d'une pastille sur l'objet identifié peut être évitée, l'identificateur étant constitué par l'objet ou l'entité elle-même, dans la mesure o le spectre d'absorption ou d'émission lié à sa couleur a préalablement été réalisé et répertorié. Typiquement, cette pastille peut être collée ou fixée par tout moyen approprié sur l'objet à reconnaître. Néanmoins, celle-ci peut être imprimée lors de la réalisation d'emballages, voire introduite dans l'entité même, par exemple lorsque celle-ci est réalisée au moyen d'une substance transparente telle que le verre, les matières plastiques, les films,.... Comme déjà dit, cette pastille est recouverte de manière uniforme de la couleur correspondant à une longueur d'onde déterminée, autrement dit un pentome. Le procédé conforme à l'invention vise tout d'abord à capter le spectre d'émission ou d'absorption de ce pentome, et ce au moyen d'un lecteur optique, constitué par exemple d'un crayon. Ce dernier est équipé d'un guide d'ondes, typiquement constitué de fibres optiques, permettant d'une part, l'éclairage de l'identificateur par acheminement d'un faisceau lumineux polychromatique à partir d'une source contenue dans ledit crayon, typiquement de la lumière blanche, et d'autre part, l'achemine- ment des ondes réfléchies ou transmises par l'identificateur au niveau d'un réseau à champ plan, destiné, comme déjà précisé, à diffracter les ondes qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ce réseau est intégré dans le dispositif de détection et d'identification décrit précédemment en liaison avec la figure 1. Une fois le spectre reconnu, le micro-ordinateur délivre un code ou une référence unique, correspondant rigoureusement aux longueurs d'onde de la couleur de la pastille. Ce code ou cette référence peut être restitué de multiple façons, et par exemple sous forme visuelle, graphique sur un écran, ou simplement sous forme analogique ou numérique afin d'être transmise à d'autres organes, ou dispositifs susceptibles d'effectuer des opérations déterminées dès lors que ce code particulier leur parvient. On observe de la sorte, qu'à un ensemble de longueurs d'onde défini correspond un code unique. On peut donc appliquer ce procédé à de nombreuses utilisations et ce dans différents domaines, en particulier à la mesure directe du pH d'une solution colorée. Il peut être notamment être utilisé dans des chaînes de fabrication afin d'identifier des séries d'objets colorés sans manipulation supplémentaire. En outre, il peut être utilisé pour l'identification ou le contrôle des peintures, pigments, et tous liquides colorés. En corollaire de ces deux applications, ce procédé peut être appliqué à la vision en "couleur" des robots, qui peuvent ainsi obtenir des informations supplémentaires sur des tests ou des prises de décision, réduisant d'autant l'intervention humaine. On conçoit donc que le procédé et le dispositif de l'invention permettent de disposer d'un scanneur optique intelligent, dans la mesure o il est susceptible de traiter en ligne les informations issues d'un détecteur multi longueurs d'onde, captant des spectres électro- magnétiques émis par toutes entités. Il constitue donc la base d'un système expert, utilisable dans de très nombreux domaines. REVENDICATIONS 1/ Procédé pour la détection et l'identification instantanées d'une pluralités d'entités dans un milieu donné caractérisé en ce qu'il consiste: - à exciter ledit milieu par une onde électromagnétique mono- ou polychromatique; - à capter le spectre d'émission, d'absorption ou de réflectance émis par ledit milieu au moyen d'un dispositif sensible à l'ensemble des longueurs d'onde dudit spectre; - à traiter le spectre optique ainsi capté au moyen d'un ensemble de traitement, apte à déduire de celui-ci après traitement numérique et comparaison avec une pluralité de spectres stockés dans une mémoire associée, la nature et la concentration d'entités déterminées contenues dans le milieu; - et à restituer ce résultat sous forme exploitable, à savoir tant sous forme sensorielle que sous la forme de signaux analogiques ou numériques, susceptibles d'être transmis à des organes fonctionnels en vue d'effectuer une action ou une séquence d'actions préalablement déterminées en fonction des signaux reçus. 2/ Procédé pour la détection et l'identification optiques d'une entité, caractérisé en ce qu'il consiste: - à munir l'entité à détecter et à identifier d'un identificateur recevant une coloration de longueur d'onde déterminée, restituant sous l'excitation d'une onde électromagnétique mono ou polychromatique, un spectre d'absorption ou d'émission déterminé, fonction de la longueur propre dudit identificateur; - à capter ledit spectre ainsi restitué au moyen d'un lecteur optique sensible à la gamme de longueurs d'onde du spectre ainsi émis; - à traiter le spectre ainsi capté au moyen d'un ensemble de traitement, apte à lui faire correspondre, après comparaison une unique référence préalablement répertoriée et stockée dans une mémoire associée audit ensemble de traitement; - et enfin, à restituer cette unique référence sous forme exploitable, ou à restituer un résultat exploitable suite à la reconnaissance de ladite référence, de telle sorte à induire l'activation d'organes ou systèmes moteurs selon une action ou une série d'actions préalablement déterminées en fonction de ladite référence, ou de la reconnaissance ou non de cette référence. 3/ Dispositif intégré pour réaliser une identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico-chimiques contenues dans ou sur un échantillon, et susceptibles de restituer un spectre d'émission ou d'absorption sous l'excitation d'une onde électro- magnétique caractérisé en ce qu'il comprend: - un monochromateur à champ plan (5) au niveau duquel est acheminé le spectre d'émission ou d'absorption de l'échantillon analysé, et destiné, de manière connue, à décomposer ce spectre en une suite de signaux de variation discrète de longueur d'ondes, - un circuit de transformation (6) desdits signaux en signaux analogiques ou numériques, couplé audit monochromateur (5), - une unité centrale de traitement (7), intégrant dans une mémoire associée, une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser le spectre analogique ou numérique ainsi obtenu, et à comparer après décorrélation ce spectre aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico- chimiques prédéterminées dans ou sur l'échantillon. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit (6) de transformation des signaux est constitué par une barrette de photodiodes ou par un circuit à transfert de charges (circuit type CCD). 1 5 -2704650 / Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'unité centrale de traitement (7) est constituée par un microordinateur au niveau duquel est chargé un logiciel de traitement, propre à assurer la comparaison entre le spectre obtenu après le circuit de transformation (6) et les spectres stockés dans la mémoire qui lui est associée. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le micro- ordinateur (7) est logé dans le corps même du dispositif.