Brevet FR2713773A1 — publié le 19950616

La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules, c'est-à-dire permettant de tracer une courbe représentative des variations, en fonction du diamètre des particules ayant le même diamètre. Par les documents US-A-3 807 864, FR-A-2 300337, FR-A-2 415 801 et US-A-4 274 741, par exemple, on connaît déjà un dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, par exemple en suspension dans un courant fluide (liquide ou gaz). Un tel dispositif comporte une source laser, dont le faisceau traverse un récipient transparent parcouru par le courant fluide transportant lesdites particules, et un système optique convergent pour former une figure de diffraction etlou de diffusion (en fonction de la taille desdites particules) des particules éclairées par le faisceau laser. Un ensemble de détecteurs photosensibles, répartis dans le plan focal dudit système optique, engendre des signaux électriques représentatifs de ladite figure de diffraction-diffusion et adressés à un calculateur, traitant lesdits signaux électriques pour déterminer la répartition granulométrique dudit mélange de particules. Ce type de dispositif dépend de la théorie de la diffraction Fraunhofer. On sait de plus que, avec un tel dispositif, les mesures effectuées dans ledit plan focal sont significatives, pour les grosses particules, lorsqu'elles sont réalisées au voisinage de l'axe du faisceau laser, et pour les fines particules, lorsqu'elles sont réalisées loin dudit axe, c'est-à-dire avec des valeurs élevées de l'angle de diffraction etlou de diffusion. Toutefois, ces mesures sont souvent difficiles à réaliser, surtout pour les grosses particules. En effet, ces dernières sont difficiles à identifier, en raison de la faible valeur de l'angle de diffraction etlou de diffusion par rapport à l'axe du faisceau de lumière monochromatique. Afin de faciliter la détection, une solution connue préconise d'utiliser des systèmes optiques de plus grandes focales, ce qui permet d'augmenter la dispersion angulaire des rayons à détecter. Cette solution pose, néanmoins, de nouveaux problèmes, puisqu'elle nécessite, en particulier, d'augmenter la longueur du banc optique de mesure portant les différents éléments du dispositif. L'objet de l'invention est de remédier à ces inconvénients, en perfectionnant le dispositif mentionné ci-dessus, de façon à permettre une analyse de grande finesse, quelle que soit la taille des particules du mélange. A cette fin, selon l'invention, le dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, comportant: - un générateur d'un faisceau de lumière monochromatique; - un récipient transparent, disposé sur le trajet dudit faisceau et parcouru par ledit mélange de particules; - un système optique convergent pour former, dans son plan focal, une figure de diffraction-diffusion desdites particules éclairées par ledit faisceau; - un ensemble de détecteurs photosensibles répartis dans ledit plan focal du système optique; et - des moyens de traitement des signaux électriques émis par ledit ensemble de détecteurs photosensibles; est remarquable en ce qu'il comporte un dioptre, formé d'une surface optique qui sépare un premier et un second milieu d'indices de réfraction différents et disposé, de façon inclinée, sur le trajet dudit faisceau de lumière monochromatique entre ledit mélange de particules en circulation et ledit système optique, L'indice de réfraction du premier milieu, en regard dudit mélange de particules, étant supérieur à l'indice de réfraction du second milieu, en regard dudit système optique. Ainsi, la dispersion angulaire des rayons monochromatiques issus du récipient transparent augmente au passage dudit dioptre, ctest-à-dire en passant dudit premier milieu audit second milieu d'indice de réfraction plus faible, ce qui entraîne une répartition spatiale plus importante des rayons à détecter et permet, ainsi, une analyse de grande finesse, particulièrement intéressante pour les grosses particules. De façon avantageuse, ledit dioptre est incliné par rapport à l'axe du faisceau de lumière monochromatique d'un angle O défini par la relation sin(7C/24) = n2/nl, avec nl L'indice de réfraction dudit premier milieu et n2 L'indice de réfraction dudit second milieu. Ainsi, un rayon monochromatique qui traverse le récipient sans venir au contact d'une particule et qui conserve donc sa direction initiale correspondant à l'axe du faisceau de lumière monochromatique, subit, en raison de la valeur telle que définie précédemment de l'angle d'inclinaison 0, une réflexion totale sur ledit dioptre. Au contraire, un rayon monochromatique qui est diffracté par une particule du mélange, modifiant sa direction initiale, n'est pas réfléchi par ledit dioptre et traverse donc ce dernier. Par conséquent, en effectuant les mesures optiques à la sortie du dioptre, on ne détecte que les rayons diffractés utiles pour la mise en oeuvre de l'invention, tandis que les rayons incidents non diffractés, sources de bruit, sont déviés du champ de mesure. Ce perfectionnement permet donc d'augmenter considérablement le rapport signallbruit des mesures effectuées. Le dispositif conforme à l'invention peut être réalisé, soit en ajoutant un élément supplémentaire aux éléments utilisés par un dispositif connu de l'état de la technique, soit en modifiant directement l'un de ces éléments utilisés. Ainsi, selon un premier mode de réalisation, le dispositif conforme à l'invention comporte un élément dioptrique, constitué d'un matériau d'indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction du milieu ambiant et disposé sur le trajet dudit faisceau de lumière monochromatique, la face de l'élément dioptrique par laquelle sort ledit faisceau de lumière monochromatique étant constituée dudit dioptre. Ledit élément dioptrique peut, par exemple, être constitué d'un prisme. De façon avantageuse, cet élément dioptrique est monté sur un support rotatif. Ainsi, il est possible, par la rotation dudit support, d'incliner ledit dioptre de façon à obtenir les conditions de réflexion souhaitées. Cette solution permet d'adapter le dispositif conforme à l'invention à des faisceaux de lumière monochromatique de directions variables. Selon un second mode de réalisation, ledit dioptre constitue la face dudit récipient par laquelle sort ledit faisceau de lumière monochromatique, ledit dioptre étant incliné par rapport à la face opposée dudit récipient par laquelle entre ledit faisceau de lumière monochromatique. Ainsi, les avantages de l'invention sont obtenus en modifiant directement le récipient transparent dans lequel circulent les particules à analyser. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre, de façon schématique, un dispositif connu pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules. La figure 2 montre, schématiquement, un dispositif conforme à l'invention, perfectionnant le dispositif connu de la figure 1. La figure 3 montre, de façon schématique, une variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention. La présente invention est destinée à perfectionner le dispositif du type connu, représenté sur la figure 1 et permettant de déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules P. Ledit dispositif connu comporte un générateur laser 1 (non représenté) engendrant un faisceau laser 2 à rayons parallèles, d'axes X-X. Sur le trajet du faisceau laser 2, est disposé un récipient transparent 3 en forme de cuve à faces parallèles et pourvu d'un conduit plat 4, par exemple orthogonal à l'axe X-X, à travers lequel circule un mélange de particules P. Ces particules P peuvent être projetées à sec à travers ledit récipient ou bien être en suspension dans un courant de liquide. Le mélange desdites particules est mis en circulation par des moyens connus non représentés, pour entrer à une extrémité du conduit 4 (flèche E) et en sortir à son autre extrémité (flèche S). En aval du récipient 3 (par rapport au sens de propagation du faisceau laser 2), le dispositif de la figure 1 comporte un système optique convergent 5, coaxial à l'axe X-X, de sorte que son foyer F se trouve sur ce dernier. Dans le plan focal du système optique 5, est prévu un ensemble de détecteurs photosensibles 6, dont les zones sensibles 7i sont réparties radialement à partir de l'axe X-X. La pluralité des zones sensibles 7i ne sont pas forcément centrées sur le même rayon, mais elles sont situées à des distances radiales différentes les unes des autres. L'intervalle entre les zones sensibles 7i et la surface desdites zones sensibles 7i croissent en fonction de leur distance f à l'axe X-X. Par une liaison 8,1'ensemble de détecteurs photosensibles 6 est relié à un calculateur 9, susceptible de traiter les signaux reçus desdits détecteurs et d'émettre à sa sortie 10 des signaux représentatifs de la répartition granulométrique du mélange des particules véhiculées par le courant fluide traversant le conduit 4. Ces particules 9, éclairées par le faisceau 2, diffractent etlou diffusent (en fonction de leur taille) de la lumière sous des angles a1 différents, comme cela est illustré sur la figure 1. il en résulte, dans le plan focal du système optique 5, une figure de diffractiondiffusion de révolution centrée sur l'axe X-X. En fonction de leur taille, les particules participent à l'éclairement de régions différentes du plan focal du système optique 5 : les grosses particules adressent de la lumière au voisinage de l'axe X-X (c'est-à-dire à des surfaces sensibles 7i dont la distance r à l'axe X-X est petite), tandis que les fines particules adressent de la lumière depuis l'axe X-X jusqu'à des régions éloignées de l'axe X-X (c'est-à-dire à des surfaces sensibles 7i dont la distance r à l'axe X-X est grande). Ainsi, par exemple, pour un rayon diffracté d'angle cxl tel que représenté, la surface sensible 7i correspondante se trouve à une distance rl de l'axe X-X En fonction de ce qui a été dit précédemment, on comprendra aisément que la précision des mesures est limitée pour de grosses particules, puisque ces mesures doivent être effectuées à très faible distance de l'axe X-X. Ce dispositif connu ne permet donc pas une analyse de très grande finesse pour de telles particules. Le dispositif, conforme à l'invention et représenté sur la figure 2, est destiné à remédier à cet inconvénient. A cet effet, il comporte un élément dioptrique, en l'occurence un prisme 11, constitué d'un matériau, par exemple du verre, d'indice de réfraction n1 supérieur à l'indice de réfraction n2 du milieu ambiant et disposé sur le trajet dudit faisceau laser 2 entre ledit récipient transparent 3 et ledit système optique 5. Les différentes faces 12, 13, 14 dudit prisme 11 forment chacune un dioptre, c'est-àdire une surface optique séparant deux milieux d'indices de réfraction différents. Le dioptre 12 en regard du récipient 3 est sensiblement orthogonal à l'axe X-X, tandis que le dioptre 13 se trouvant du côté opposé audit récipient 3 fait un angle A avec le dioptre 12. On précisera ci-après la valeur de cet angle A. Un rayon laser 15 dudit faisceau laser 2, diffracté par une particule P du mélange 4 et faisant un angle a1 avec l'axe X-X, en aval dudit récipient 3 et en amont dudit dioptre 12 (par rapport au sens de propagation du faisceau laser 2), subit une réfraction au passage dudit dioptre 12, de façon à présenter en aval de ce dioptre 12 un angle a2 par rapport à l'axe X-X, L'angle a2 vérifiant la relation n2 sin a1 = nl sin a2. Ce rayon laser 15 traverse ensuite le dioptre 13, au passage duquel il subit une seconde réfraction, de sorte qu'avec un angle ss2 par rapport à la normale N du dioptre 13 en amont de celui-ci, il sort dudit dioptre 13 avec un angle ss1 par rapport à cette normale N. Les angles 131 et 132 vérifient , de même, la relation n2 sin 131 = nl sin 132. Ce rayon diffracté 15, qui caractérise une taille de particules, sort ainsi du prisme selon une déviation D = al+ss1 - A. En considérant que le centre de l'image de diffraction n'est à présent plus situé sur l'axe X-X, mais est situé sur un axe L-L correspondant à la direction du dioptre 13 dans le plan de la figure (comme on le verra ci-après), L'analyse sera faite en disposant le système optique 5 et l'ensemble de détecteurs photosensibles 6 par rapport à l'axe L-L de la même manière qu'ils sont disposés par rapport à l'axe X-X sur la figure 1. Le rayon diffracté 15 n'est ainsi plus analysé suivant un angle al, mais suivant un angle R = 90" - 131, largement supérieur à al. A titre d'exemple, avec un angle A = 41,81 et avec nl = 1,5 (verre) et n2 = 1 (air), on obtient R = 9,3 pour a1= 1" et R = 1,2" pour cxl = 0,1". Dans ces exemples, les angles correspondants sont multipliés par un facteur voisin de dix. Par conséquent, la surface sensible 7i correspondante se trouve à une distance r2 de l'axe L-L supérieure à la distance rl de la figure 1. Grâce à l'invention, on obtient donc une augmentation de la résolution angulaire des rayons lasers diffractés, ce qui permet évidemment une plus grande finesse de mesure. Ces remarques ne sont pas valables pour un rayon 16 du faisceau laser 2, qui n'est pas diffracté par une particule P du mélange et qui conserve donc, au passage du récipient 3, sa direction initiale parallèle à l'axe X-X. Ce rayon 16 ne subit aucune réfraction du passage du dioptre 12, puisque ce dioptre 12 est orthogonal à l'axe X-X. Ledit rayon 16 fait un angle O avec le dioptre 13, avec O = x/2 - A. Ledit angle A (ou l'angle 0) est déterminé à partir de la relation sin A = n2/nl. En raison de cette valeur de A (ou de 0) et à partir d'une caractéristique fondamentale des dioptres, ledit rayon 16 est entièrement réfléchi par le dioptre 13 et est dirigé suivant une direction Z-Z, également d'angle O par rapport à l'axe L-L. Ainsi, grâce à cette valeur O de l'inclinaison du dioptre 13 par rapport à l'axe X-X, tout rayon non diffracté du faisceau laser (comme ledit rayon 16) est réfléchi par ledit dioptre 13 et n'est donc pas adressé aux détecteurs photosensibles 7i. Ceci permet d'augmenter considérablement le rapport signallbruit des mesures, puisque les principaux générateurs de bruit, à savoir les rayons non diffractés, ne sont ainsi pas pris en compte dans les mesures. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le récipient 17, contenant le mélange de particules P représentées localement sur cette figure, n'est plus faces parallèles, mais présente une forme triangulaire en section, transversalement à la direction de circulation représentée par la flèche H desdites particules P, lesdites particules étant véhiculées par un fluide ou un gaz d'indice de réfraction nl supérieur à l'indice de réfraction n2 du milieu ambiant. La face 12 du récipient, par laquelle entre le faisceau laser (non représenté) d'axe X-X, est toujours agencée orthogonalement à cet axe X-X, tandis que la face de sortie 13 est inclinée d'un angle O défini précédemment, de manière à réfléchir un rayon non diffracté 18 dudit faisceau laser. Au contraire, avec nl = 1,3 (eau) et n2 = 1 (air) et, donc, avec un angle A = 48,75 , on obtient pour a2 = 10 , R = 33,65 et pour a2 = 1", R = 10,10 . REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, comportant: - un générateur (1) d'un faisceau de lumière monochromatique (2); - un récipient transparent (3,17), disposé sur le trajet dudit faisceau (2) et parcouru par ledit mélange de particules (P); - un système optique convergent (5) pour former, dans son plan focal, une figure de diffraction-diffusion desdites particules éclairées par ledit faisceau (2); - un ensemble (6) de détecteurs photosensibles (7i) répartis dans ledit plan focal du système optique (5); - des moyens (9) de traitement des signaux électriques émis par ledit ensemble (6) de détecteurs photosensibles; et caractérisé en ce qu'il comporte un dioptre (13), formé d'une surface optique qui sépare un premier et un second milieu d'indices de réfraction différents et disposé, de façon inclinée, sur le trajet dudit faisceau de lumière monochromatique (2) entre ledit mélange de particules (P) en circulation et ledit système optique (5), L'indice de réfraction du premier milieu, en regard dudit mélange de particules (P), étant supérieur l'indice de réfraction du second milieu, en regard dudit système optique (5). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dioptre (13) est incliné par rapport l'axe (X-X) du faisceau de lumière monochromatique (2) d'un angle O défini par la relation sin (X/2 4) = n2/nl, avec nl L'indice de réfraction dudit premier milieu et n2 L'indice de réfraction dudit second milieu. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément dioptrique (11), constitué d'un matériau d'indice de réfraction supérieur l'indice de réfraction du milieu ambiant et disposé sur le trajet dudit faisceau de lumière monochromatique (2), la face de l'élément dioptrique par laquelle sort ledit faisceau de lumière monochromatique étant constituée dudit dioptre (13). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément dioptrique (11) est constitué d'un prisme. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dioptre (13) constitue la face dudit récipient (17) par laquelle sort ledit faisceau de lumière monochromatique (2), ledit dioptre étant incliné par rapport la face opposée (12) dudit récipient (17) par laquelle entre ledit faisceau de lumière monochromatique (2).