Brevet FR2731518A1 — publié le 19960913

Caoteur ootiaue oolvvalent La présente invention concerne un capteur optique polyvalent et, plus particulièrement, un capteur optique polyvalent conçu pour effectuer séparément ou simultanément des analyses, telles qu'une analyse absorptiométrique, une analyse de fluorescence et une analyse de diffusion en des positions identiques ou différentes de fluides, tels que des liquides et des gaz. La présente invention concerne également un capteur optique polyvalent bien adapté pour des analyses telles qu'une analyse absorptiométrique, une analyse de fluorescence et une analyse de diffusion dans des environne- ments radiatifs, par exemple dans les domaines de l'énergie nucléaire. Jusqu'ici, on utilisait généralement un seul capteur optique pour un but, par exemple pour une analyse absorptiométrique. Par exemple, on utilise un capteur optique pour une analyse absorptiométrique pour détecter des spectres d'absorption de lumière. Toutefois, jamais jusqu'à présent on ne connaît une technique permettant d'utiliser un capteur optique unique pour plusieurs buts, par exemple pour détecter simultanément des spectres d'absorption de lumière, des spectres de fluorescence, etc., tandis que le degré d'influence d'une radiation est mesuré concurremment avec la commande de la quantité de lumière, et pour détecter simultanément une multiplicité de spectres de lumière au niveau d'une multipli- cité de points de mesure. C'est donc un but de la présente invention de procurer un capteur optique polyvalent qui permette d'utiliser des fibres optiques pour effectuer séparément ou simultanément des analyses, telles qu'une analyse absorptiométrique, une analyse de fluorescence et une analyse de diffusion au niveau de positions identiques ou différentes de fluides, tels que des liquides ou des gaz. Selon la présente invention, il est procuré un capteur optique polyvalent comprenant un nombre pair de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques, et des systèmes optiques pour convertir la lumière guidée à travers lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques et quittant les extrémités avant desdites fibres optiques ou desdits faisceaux de fibres optiques en un faisceau de lumière pratiquement parallèle dans une direction perpendicu- laire à leurs axes, et pour faire converger ledit faisceau de lumière pratiquement parallèle tombant sur lesdits axes depuis une direction perpendiculaire à ceux-ci et pour guider le faisceau de lumière ainsi rendu convergent depuis lesdites extrémités avant dans lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques sous la forme de lumière de guidage, lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques étant disposés concentriquement dans le voisinage desdites extrémités avant, un jeu desdits systèmes optiques pour une paire de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés, le centre du cercle concentrique étant disposé entre eux, étant opposé à l'un et l'autre avec un intervalle et étant disposé de telle sorte que ledit faisceau de lumière pratiquement parallèle quittant ledit jeu de systèmes optiques tombe sur l'autre jeu desdits systèmes optiques, et les extrémités arrière du nombre pair desdites fibres optiques ou desdits faisceaux de fibres optiques étant réalisées de telle sorte que ces extrémités arrière reçoivent ou délivrent séparément la lumière. Dans une réalisation préférée, chaque système optique est construit à partir d'une lentille positive et d'un miroir ou d'un prisme réflecteur. En variante, chaque système optique est construit à partir d'une portion terminale avant coudée à 90 de la fibre optique ou du faisceau de fibres optiques et d'une lentille positive. Dans une autre réalisation préférée, lorsque les paires de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés sont chacune considérées comme un jeu, les systèmes optiques situés au niveau des extrémités avant des différents jeux se trouvent dans des positions axialement identiques. En variante, lorsque les paires de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés sont chacune considérées comme un jeu, les positions axiales des systèmes optiques situés au niveau des extrémités avant des différents jeux sont différentes en ce qui concerne au moins un jeu. Dans une autre réalisation préférée, les extrémités avant du nombre pair de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques sont positionnées à intervalles réguliers sur ledit cercle concentrique. Selon la présente invention, en sélectionnant comme équipe- ment raccordé aux extrémités arrière du nombre pair de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques l'une quelconque d'une source de lumière, d'une source de lumière d'excita- tion, d'un analyseur spectrométrique, d'un actinomètre, et l'analogue, il est possible d'utiliser un seul capteur optique pour effectuer simultanément les mesures désirées à de nombreuses fins, par exemple à des fins de mesure absorp- tiométrique, fluorophotométrique, actinométrique et de diffusion. Il est également possible d'utiliser un seul capteur optique pour effectuer une multiplicité de mesures d'une multiplicité d'échantillons tandis que l'indice d'influence d'un rayonnement est corrigé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip- tion détaillée suivante de modes de réalisation préférés, en liaison avec les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique illustrant une disposi- tion générale d'un capteur optique polyvalent selon un premier mode de réalisation de l'invention, lequel capteur est construit sous la forme d'un équipement photométrique; - la figure 2 est une vue en perspective à plus grande échelle des extrémités avant du capteur optique polyvalent selon le premier mode de réalisation; - la figure 3 est une vue schématique, vue de dessous, des extrémités avant du capteur optique polyvalent selon le premier mode de réalisation; - la figure 4 est une vue en coupe prise selon la ligne A-A' de la figure 2; - la figure 5 est un schéma destiné à illustrer le raccorde- ment d'un capteur optique polyvalent selon l'invention à un équipement photométrique tel qu'un absorptiomètre; - la figure 6 est une vue en perspective à plus grande échelle des extrémités avant d'un capteur optique polyvalent selon un deuxième mode de réalisation; et - la figure 7 représente schématiquement, respectivement en vue de dessus et en vue latérale, une disposition pour mesurer en même temps plusieurs passages de flux, en utili- sant le capteur optique polyvalent selon le deuxième mode de réalisation. On va maintenant expliquer en se reportant au dessin les principes et modes de réalisation d'un capteur optique polyvalent selon la présente invention. La figure 1 montre une disposition générale d'un premier mode de réalisation du capteur optique polyvalent selon la présente invention, lequel est ici construit sous la forme d'un équipement de mesure; la figure 2 est une vue en perspective à plus grande échelle des extrémités avant de ce capteur, tandis que la figure 3 représente schématiquement ces extrémités vues de dessous. Un capteur optique polyvalent, représenté de façon schémati- que en 1, comprend un élément de câble flexible 2 dans lequel sont enfermées au moins deux paires (quatre paires dans le mode de réalisation décrit) de faisceaux de fibres optiques, lesquelles sont liées ensemble à l'exception de leurs extrémités avant. Les extrémités avant 11 à 18 des faisceaux de fibres optiques se projettent concentriquement depuis une extrémité avant 3 de l'élément de câble 2 et s'étendent depuis des positions, dans lesquelles deux extrémités avant sont diamétralement opposées l'une à l'autre, le centre du cercle concentrique étant disposé entre elles, sur la même longueur dans une direction parallèle à l'axe de l'élément de câble 2. Les portions sortantes des extrémités avant 11 à 18 et l'extrémité avant 3 elle-même sont suffisamment dures pour ne pas être coudées, même lors de l'application d'une force extérieure, ou l'analogue, sur elles. Ainsi, les extrémités avant 11 à 18 considérées comme un tout constituent une portion de tête de capteur 4. En utilisation, c'est cette portion de tête de capteur 4 qui est directement immergée dans le fluide S à mesurer à des fins d'analyse absorptiomé- trique ou autre. Comme il sera décrit plus loin, les extrémités arrière des faisceaux de fibres optiques au niveau de l'extrémité arrière de l'élément de câble 2 sont conçues pour pouvoir être raccordées à une source de lumière, à une portion spectromé- trique et à une portion actinométrique d'un équipement photométrique 5 tel qu'un absorptiomètre, un fluorophotomé- tre, et un actinomètre, en fonction des mesures qu'on se propose de réaliser. Aucune description détaillée de la structure pour raccorder les extrémités arrière des faisceaux de fibres optiques à la source de lumière ou aux portions de mesure n'est donnée ici, car on peut utiliser dans ce but l'une quelconque de structures connues. La figure 4 est une vue en coupe prise selon la ligne A-A' de la figure 2, contenant le centre du cercle concentrique sur lequel les extrémités avant 11 à 18 sont disposées. Cette vue est une vue en coupe concernant deux extrémités avant 13 et 17, et elle serait également vraie dans le cas des paires restantes d'extrémités avant 11 et 15, 12 et 16, et 14 et 18. Les deux extrémités avant 13 et 17 disposées diamétralement sur le cercle concentrique et s'étendant depuis l'extrémité avant 3 de l'élément de câble 2 sont placées dans des gaines 8 et 8 ayant des fenêtres 9 et 9 dans des positions dans lesquelles elles sont en vis-à- vis l'une de l'autre avec le centre du cercle concentrique disposé entre elles, de telle sorte qu'elles peuvent être protégées à l'encontre d'une force extérieure. Dans les gaines 8 sont disposées des lentilles positives 6 en avant des extrémités avant 13 et 17 des faisceaux de fibres optiques, lesquelles lentilles permettent à des faisceaux de lumière sortant des faisceaux de fibres optiques d'être convertis en une lumière pratique- ment parallèle et aux faisceaux de lumière se propageant en direction des extrémités avant des faisceaux de fibres optiques d'être rendus convergents en une lumière de guidage pour les faisceaux de fibres optiques. En avant des lentilles positives 6 sont disposés des prismes réflecteurs 7 en quartz, qui permettent à la lumière sortant des extrémités avant des faisceaux de fibres optiques et rendue parallèle d'être convertie en une lumière qui se propage perpendicu- lairement à l'axe des faisceaux de fibres optiques et en direction du centre du cercle concentrique mentionné ci- dessus, et à la lumière sortant du centre du cercle concen- trique mentionné ci-dessus et venant frapper l'axe des faisceaux de fibres optiques d'être ramenée dans la direction axiale de ceux-ci. En outre, les prismes réflecteurs 7 pour les extrémités avant 11 à 18 sont tous disposés à la même hauteur. Ainsi, le faisceau lumineux se propageant à travers l'un des faisceaux de la paire de faisceaux de fibres optiques, avec le centre du cercle concentrique disposé entre les deux fais- ceaux quitte son extrémité avant, par exemple 13, et est converti en un faisceau parallèle en traversant la lentille positive 6, lequel faisceau est à son tour dévié à 90 à travers le prisme réflecteur 7. Le faisceau de lumière ainsi dévié pénètre ensuite dans la fenêtre 9, passe à travers le fluide S à mesurer, qui a pénétré entre les fenêtres 9 et 9, pénètre dans la fenêtre 9 de l'extrémité avant du faisceau de fibres opposé, 17 dans ce cas, et est dévié à 90 à travers le prisme réflecteur 7 dans la direction axiale du faisceau de fibres optiques, est rendu convergent dans l'extrémité avant du faisceau de fibres optiques par la lentille positive 6 et est finalement rassemblé à travers le faisceau de fibres optiques sous la forme d'une lumière de guidage. Selon une construction telle que celle représentée sur la figure 5, dans laquelle une source de lumière et des portions spectrométriques d'un absorptiomètre 31, par exemple, sont raccordées à l'une quelconque des paires d'extrémités arrière 21 et 25, 22 et 26, 23 et 27, et 24 et 28 des faisceaux de fibres optiques se terminant au niveau des paires d'extrémi- tés avant opposées 11 et 15, 12 et 16, 13 et 17, et 14 et 18, il est possible de trouver des spectres d'absorption de lumière du fluide S à mesurer. En raccordant une source de lumière d'excitation et des portions photométriques de fluorophotomètres 32 et 33 à des extrémités arrière non appairées des faisceaux de fibres optiques, par exemple 22 et 27, et 23 et 26, il est également possible de trouver des spectres de fluorescence, de diffu- sion et autres du fluide S à mesurer. En outre, en raccordant une source de lumière 34 et un actinomètre 35 aux extrémités arrière 24 et 28 des faisceaux de fibres optiques se termi- nant au niveau d'une paire d'extrémités avant opposées, par exemple 14 et 18, il est possible de trouver l'indice d'absorption du fluide S à mesurer. En outre, du fait qu'au moins deux paires d'extrémités avant opposées 11 à 18 (quatre paires dans ce mode de réalisation) sont prévues, il est possible d'effectuer ces mesures simultanément. On va donner ci-après quelques exemples illustratifs de ces mesures. EXEMPLE 1 - Mesure absorptiométriqciue En se reportant aux figures 2 et 3, les extrémités avant 11, 12, 13 et 14 sont raccordées à une source de lumière sur le côté de projection de lumière, tandis que les extrémités avant 15, 16, 17 et 18 sont raccordées à une portion spectro- métrique, c'est-à-dire que quatre paires d'extrémités avant 11 et 15, 12 et 16, 13 et 17, et 14 et 18 peuvent être utilisées pour mesurer simultanément des spectres d'absorp- tion de lumière dans quatre directions. On doit noter ici que, si les extrémités de réception de lumière des quatre paires d'extrémités avant sont combinées en une seule unité pour raccordement à une seule portion spectrométrique, il est ensuite possible d'effectuer une analyse de grandes quantités de lumière. Dans l'exemple décrit ci-dessus, les lentilles positives 6 et les prismes réflecteurs 7 sont prévus pour toutes les extrémités avant 11 à 18 sur les côtés de projec- tion de lumière et de réception de lumière de sorte qu'on peut augmenter les puissances de collecte de lumière et de réception de lumière pour obtenir de grandes quantités de lumière considérées comme un tout. Toutefois, on doit noter que, lorsque la quantité de lumière est trop importante, elle peut être réglée en ne considérant que trois ou deux paires d'extrémités avant au lieu des quatre paires d'extrémités avant. Lorsque le fluide S circulant dans des canalisations est mesuré, le fluide S circule entre les extrémités avant respectives 11 à 18 de la portion de tête de capteur 4. Si les extrémités avant 11 à 18 sont positionnées à intervalles circonférentiellement réguliers, il y a toutefois avantage à pouvoir constamment obtenir le même débit, car leur résis- tance au débit n'a aucune influence sur une direction angulaire lorsqu'elles sont introduites dans les canalisa- tions. EXEMPLE 2 - Fluorophotométrie En se reportant aux figures 2 et 3, l'extrémité avant 11 est raccordée à une source de lumière d'excitation de façon à recevoir une fluorescence au niveau des extrémités avant 12, 13, 14, 15, 16, 17 et 18, qui sont raccordées à une portion spectrométrique, séparément ou sous la forme d'une unité unique, de façon à pouvoir mesurer des spectres de fluores- cence. On doit noter que, si les extrémités avant 12, 13, 14, , 16, 17 et 18 sont séparément raccordées à la portion spectrométrique, il est ensuite possible de mesurer l'in- fluence des angles sur les spectres de fluorescence. Lorsque la quantité de lumière d'excitation est faible, elle peut être réglée en raccordant à la source de lumière d'excitation l'extrémité avant 11 plus l'extrémité avant 12 de façon à recevoir de la lumière au niveau des extrémités avant 13, 14, , 16, 17 et 18. EXEMPLE 3 - Mesure simultanée absorptiométrique et fluoropho- tométrique En se reportant aux figures 2 et 3, si les extrémités avant 11 et 15 sont raccordées à une source de lumière et à une section spectrométrique respectivement, il est ensuite possible d'effectuer une absorptiométrie et, si les extrémi- tés avant 12, 13, 14, 16, 17 et 18 sont raccordées à une autre portion spectrométrique, il est ensuite possible d'effectuer en même temps une fluorophotométrie. Comme c'est le cas avec l'exemple 1 et l'exemple 2, on peut régler la quantité de lumière. On se reporte maintenant à un deuxième mode de réalisation de la présente invention. Comme on le voit sur la figure 6, des paires ou jeux d'extrémités avant opposées 11 et 15, 12 et 16, 13 et 17, et 14 et 18, sont différents en termes de longueur axiale. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 6, le jeu d'extrémités avant 11 et 15 a la longueur la plus courte, le jeu des extrémités avant 12 et 16 a une longueur intermédiaire et les jeux d'extrémités avant 13 et 17, et 14 et 18, ont la plus grande longueur. Un capteur optique polyvalent 1 ayant des extrémités avant de longueur variable permet de mesurer simultanément plusieurs passages de flux en termes d'intensité de lumière absorbée, etc. Ceci permet également d'effectuer des mesures dans des environne- ments radiatifs, tandis que deux extrémités avant ayant une longueur variable sont utilisées comme critère pour une correction. EXEMPLE 4 Mesure simultanée de Dlusieurs passages de flux La figure 7 illustre une disposition pour des mesures absorptiométriques et autres simultanées de fluides A et B circulant à travers deux tubes a et b au niveau de leur point d'intersection, a et b étant représentés schématiquement vus de dessus et latéralement respectivement. Dans cette disposi- tion, on utilise le capteur optique polyvalent 1 selon le deuxième mode de réalisation mentionné ci-dessus, tandis qu'une paire d'extrémités avant 12 et 16 est introduite dans le tuyau a et des paires d'extrémités avant 13 et 17, et 14 et 18 sont introduites dans le tube b. Une paire d'extrémités avant 11 et 15 est disposée dans l'air sans être immergée dans les fluides. On peut effectuer une mesure absorptiomé- trique du fluide A en disposant l'extrémité avant 12 sur le côté de projection de lumière et l'extrémité avant 16 sur le côté de réception de lumière, tandis qu'on peut effectuer une mesure absorptiométrique du fluide B en disposant 13 sur le côté de projection de lumière et 17 sur le côté de réception de lumière. On peut effectuer une mesure fluorophotométrique des fluides en disposant 14 et 18 sur le côté de réception de la fluorescence. Ainsi, on peut effectuer simultanément une mesure absorptiométrique et une mesure fluorophotométrique. EXEMPLE 5 - Mesure dans des environnements radiatifs Dans des environnements radiatifs, les fibres optiques se dégradent du fait des radiations, d'o il résulte une diminu- tion du facteur de transmission de la lumière. Ainsi, les mesures absorptiométriques et autres doivent être effectuées en compensant constamment ce taux de diminution. Dans une disposition représentée sur la figure 7, on utilise une paire d'extrémités avant 11 et 15, qui ne sont pas plongées dans les fluides A et B, comme système de mesure pour mesurer une variation du facteur de transmission résultant d'une telle dégradation provoquée par les radiations. Ce système de mesure est raccordé à une source lumineuse et à un actinomè- tre, par exemple avec 11 et 15 associés respectivement aux côtés de projection de lumière et de réception de lumière de telle sorte qu'on peut mesurer le facteur de transmission et qu'on peut ainsi mesurer constamment une variation de ce facteur de transmission résultant de la dégradation provoquée par les radiations. Ainsi, on peut effectuer de façon précise les mesures désirées absorptiométriques, fluorophotométri- ques, et autres, tandis que les mesures des fluides A et B sont corrigées sur la base d'une telle variation du facteur de transmission mesurée. Comme décrit ci-dessus, on peut effectuer simultanément plusieurs mesures en faisant varier la longueur, le nombre, etc., des extrémités avant, en fonction de nombreux buts. Bien que les modes de réalisation de l'invention aient été expliqués sur l'hypothèse qu'on utilise des faisceaux de fibres optiques comme guides d'ondes optiques pour guider la lumière aux extrémités avant 11 à 18 et pour guider la lumière reçue à l'équipement photométrique 5, il doit être bien entendu que chaque faisceau de fibres optiques peut être formé d'une seule fibre optique. Par ailleurs, bien que les modes de réalisation de l'invention aient été expliqués en supposant que les prismes réflecteurs 7 sont utilisés pour convertir la lumière quittant les extrémités avant des fibres optiques ou des faisceaux de fibres optiques en une lumière perpendiculaire à leurs axes et pour faire tourner la lumière tombant sur les fibres optiques ou les faisceaux de fibres optiques de 90 dans leur direction axiale, il est bien entendu que les fibres optiques ou les faisceaux de fibres optiques peuvent être coudés A 90 . En outre, bien que les modes de réalisation de l'invention aient été expliqués en supposant que les lentilles positives 6 sont utilisées pour convertir la lumière quittant les fibres optiques ou les faisceaux de fibres optiques en une lumière parallèle, et pour faire converger les faisceaux de lumière se propageant en direction des extrémités avant des fibres optiques ou des faisceaux de fibres optiques dans leurs extrémités avant, il est bien entendu qu'on peut utiliser des miroirs concaves ou d'autres éléments optiques. Le capteur optique polyvalent selon l'invention étant ainsi décrit en se reportant à certains exemples, il est bien entendu que ceux-ci ne doivent pas être compris dans un sens limitatif et que le capteur peut de ce fait être modifié de nombreuses manières. Comme on peut le voir d'après ce qui précède, l'invention permet d'utiliser simultanément un seul capteur optique polyvalent pour de nombreux buts, par exemple pour des mesures absorptiométriques, fluorophotométriques, actinomé- triques et de diffusion. L'invention permet également d'utiliser un seul capteur optique pour effectuer une multiplicité de mesures sur une multiplicité d'échantillons lorsque l'indice d'influence des radiations est corrigé. La totalité de JP-7-45 462, délivré le 6 mars 1995, dont est revendiquée la priorité sous 35 USC 119, est incorporée ici à titre de référence. Revendications 1. Capteur optique polyvalent (1) caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques, et des systèmes optiques pour convertir la lumière guidée à travers lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques quittant des extrémités avant (11-18) desdites fibres optiques ou desdits faisceaux de fibres optiques en un faisceau de lumière pratiquement parallèle dans une direction perpendiculaire à leurs axes, et pour faire converger ledit faisceau de lumière pratiquement parallèle tombant sur lesdits axes d'une direction perpendi- culaire à eux et pour guider le faisceau de lumière ainsi rendu convergent desdites extrémités avant dans lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques sous la forme d'une lumière de guidage, lesdites fibres optiques ou lesdits faisceaux de fibres optiques étant disposés concentriquement dans le voisinage desdites extrémités avant (11-18), un jeu desdits systèmes optiques pour une paire de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés (11 et 15, 12 et 16, 13 et 17, 14 et 18), le centre du cercle concentrique étant situé entre eux, étant opposé à l'un et l'autre avec un intervalle et étant disposé de telle sorte que ledit faisceau de lumière pratiquement parallèle quittant ledit jeu de systèmes optiques tombe sur l'autre jeu desdits systèmes optiques, et en ce que des extrémités arrière du nombre pair desdites fibres optiques ou desdits faisceaux de fibres optiques sont construites de telle sorte qu'elles reçoivent ou délivrent séparément de la lumière. 2. Capteur optique polyvalent selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits systèmes optiques est construit d'une lentille positive (6) et d'un miroir ou prisme réflecteur (7). 3. Capteur optique polyvalent selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits systèmes optiques est construit d'une portion terminale avant coudée à 90 de ladite fibre optique ou dudit faisceau de fibres optiques et d'une lentille positive (6). 4. Capteur optique polyvalent selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque lesdites paires de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés sont chacune considérées comme un jeu, lesdits systèmes optiques disposés au niveau des extrémités avant des différents jeux se trouvent dans des positions axialement identiques (figure 2). 5. Capteur optique polyvalent selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque lesdites paires de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques opposés sont chacune considérées comme un jeu, les positions axiales desdits systèmes optiques situés au niveau des extrémités avant des différents jeux sont différentes en ce qui concerne au moins un jeu (figure 6). 6. Capteur optique polyvalent selon la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités avant dudit nombre pair de fibres optiques ou de faisceaux de fibres optiques sont disposées à intervalles réguliers sur ledit cercle concentri- que (figure 3).