Brevet FR2743146A1 — publié le 19970704

L'invention se rapporte à un réfractomètre et à un procédé pour mesurer, à une longueur d'onde et à une température données, l'indice de réfraction ou une variation d'indice de réfraction d'un fluide ou d'un corps visqueux isotrope et transparent à ladite longueur d'onde. L'invention trouve en particulier son application dans la mise au point d'un réseau de fibres optiques associé à des canalisations de distribution de gaz et permettant d'en détecter les fuites éventuelles. I1 s'agit en particulier dans ce cadre de mesurer la sensibilité de l'indice de réfraction de polymères à l'absorption de différents hydrocarbures composant le gaz naturel, et en particulier au méthane, ces polymères pouvant dès lors être utilisés, au moins localement, en tant que gaines de fibres optiques. On sait qu'il existe déjà des réfractomètres comprenant - une source lumineuse pour émettre au moins un faisceau lumineux incident, - une cuve prismatique disposée sur le chemin du faisceau lumineux et comprenant deux parois propres à se laisser traverser par ledit faisceau et disposées en "V" (inclinées l'une par rapport à l'autre), - des moyens de détection mobiles autour de ladite cuve, pour détecter (au moins) le faisceau issu du faisceau incident et réfracté par la cuve, - des moyens de mesure d'angle(s) de la position desdits moyens de détection autour de la cuve, et - des moyens de calcul pour fournir, en fonction de la mesure d'angle(s) obtenue, l'indice de réfraction ou une variation d'indice de réfraction de l'échantillon dudit fluide ou corps coulant que l'on a introduit dans la cuve. Un tel réfractomètre est illustré dans l'article "Laser light refractometer" pages 3010 à 3013 de la revue "Applied optics/vol. 23 Nr 17/1 September 1984". Mais, dans cet article, la mesure de l'indice de l'échantillon est fonction de l'indice n de réfraction d'un bloc parallélépipédique dans lequel la cuve prismatique a été façonnée. Or, un intérêt essentiel de l'invention est de permettre de déterminer la valeur absolue de l'indice de réfraction de l'échantillon préalablement placé dans la cuve (ceci après "initialisation" du réfractomètre), à partir de la seule mesure de la déviation du faisceau incident, sans référence à un étalon d'indice. A noter qu'une telle manière de procéder est également contraire aux méthodes traditionnelles de type "réfraction limite" ou réfection totale" qui, comme le réfractomètre précédent, donnent un indice relatif par rapport à celui d'un bloc (habituellement un bloc de verre) dont il est nécessaire de connaître l'indice à la longueur d'onde utilisée pour le faisceau lumineux incident et à la température de l'expérience. On notera également que l'invention est par ailleurs différente de la méthode dite du "minimum de déviation" à travers un prisme, dans la mesure où cette méthode nécessite plusieurs réglages successifs avec rotation de la cuve. La solution de l'invention proposée aux inconvénients notés dans l'art antérieur consiste, sur le réfractomètre déjà présenté - en ce que chaque paroi du "V" de la cuve prismatique (fixe) comporte deux faces (rigoureusement) parallèles entre elles, - en ce que lesdits moyens de mesure d'angle(s) comportent des moyens pour mesurer (a priori dans une phase dénommée "d'initialisation") un premier angle "a" entre le faisceau émis réfléchi par ladite première paroi du prisme et le faisceau direct, (non dévié, ni par la première, ni par la deuxième paroi du prisme), un deuxième angle "b" entre ledit faisceau réfléchi par la première paroi et celui réfléchi par la seconde paroi, et un troisième angle "D" correspondant à l'angle de déviation entre le faisceau réfléchi par ladite première paroi et le faisceau dévié par l'échantillon disposé dans la cuve, après mesure desdits premier et deuxième angles, - et en ce que lesdits moyens de calcul comprennent des moyens pour mesurer l'indice de réfraction de l'échantillon, à partir de la formule étant l'indice de réfraction de l'air à une température (T) et pour une longueur d'onde donnée (A) . On va ainsi en particulier pouvoir effectuer des mesures à plusieurs longueurs d'onde, avec une précision meilleure que 10-4 sur la valeur de l'indice de réfraction n de l'échantillon et de 104 sur sa variation. Ces mesures permettront en particulier de constituer une base de données de polymères particulièrement sensibles à certains gaz, et en particulier au méthane. Un problème que s'est également attaché à résoudre l'invention concerne la réalisation pratique de la cuve prismatique et de son environnement structurel immédiat, compte tenu de la précision des mesures que l'on souhaite obtenir, d'une réalisation industrielle compacte souhaitée du réfractomètre, associée à une fiabilité de ce dernier. La solution de l'invention est de proposer que ce réfractomètre soit tel que les moyens de détection sont montés sur une platine tournant autour de la cuve, suivant un axe de rotation situé à l'intérieur dudit prisme, à proximité de son arête, ladite cuve étant fixée à un bâti sur lequel est disposée fixement la source. L'invention s'est par ailleurs attachée à résoudre les problèmes liés à la définition des moyens de détection du réfractomètre, de manière à répondre aux exigences déjà énoncées de précision, fiabilité et réalisation industrielle. La solution de l'invention est de proposer que les moyens de détection du réfractomètre comprennent - des moyens cible de réception du faisceau considéré, ces moyens étant adaptés pour transformer en signaux électriques la position de l'impact dudit faisceau sur la cible, - ainsi qu'une lentille de collimation interposée entre la cuve et les moyens de détection. Avantageusement, lesdits moyens cibles comprendront deux cellules sensibles audit faisceau lumineux séparées l'une de l'autre par un espace non sensible. En ce qui concerne maintenant les moyens de mesure d'angle(s) et les moyens de calcul associés, on notera que l'invention s'est attachée à autoriser la mesure tant de l'indice de réfraction de l'échantillon que d'une variation de cet indice. Dans le premier cas, les moyens de calcul du réfractomètre seront conçus pour fournir un calcul à partir - des mesures desdits premier et deuxième angles, alors que la cuve est vide, puis dudit troisième angle (angle de déviation), alors que l'échantillon est dans la cuve, - et de la formule mathématique déjà indiquée. Dans le second cas, les moyens de mesure et de calcul seront adaptés pour relever plusieurs angles de déviation et pour effectuer un calcul de différence d'indice à partir de la même formule mathématique, respectivement. Pour obtenir des résultats relatifs à une variation "fine" de l'indice d'un échantillon, il est à noter que le réfractomètre de l'invention permet tant des mesures en continu que des mesures ponctuelles (manuelles ou automatisées). Dans ce qui suit, on va maintenant présenter un peu plus en détail la présente invention dans le cadre d'un mode de réalisation préféré, ceci en relation avec des dessins d'accompagnement dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique générale d'un réfractomètre conforme à l'invention, - la figure 2 montre la cuve avec les différents rayons qui viennent s'y réfléchir ou s'y réfracter, - la figure 3 montre le bras pivotant porteur des moyens de détection, - la figure 4 présente en vue agrandie de face de la bicellule de détection, repérée IV sur la figure 3, - la figure 5 représente en vue de détail agrandie de la source lumineuse, - la figure 6 illustre le principe de fonctionnement du réfractomètre de l'invention, - et la figure 7 est la courbe de la variation de la tension issue de la bicellule (VA - VB), en fonction de l'angle de déviation (D), à une longueur d'onde donnée. Sur la figure 1 tout d'abord, on peut noter que le réfractomètre 1 se compose essentiellement de trois parties : une cuve prismatique 3, une source lumineuse 5 et un système de détection 7. A ce système de détection, est associée une unité de calcul 9 qui va permettre de fournir sur une unité d'affichage 11 des données relatives soit à l'indice de réfraction d'un échantillon disposé dans la cuve 3, soit à une variation de cet indice, en fonction d'une évolution physique ou chimique dudit échantillon consécutive, par exemple, à la pénétration du méthane dans un polymère. La cuve 3 et la source lumineuse 5 sont fixes par rapport au bâti 13 de l'appareil. Autour de la cuve de mesure est disposée une platine de rotation 15 solidaire du bras 17 sur lequel est monté en position fixe le dispositif de détection 7, ceci à l'opposé de la source 5. I1 est à noter qu'avantageusement, l'axe de rotation 3a (figure 3) du bras pivotant 17 est situé à l'intérieur de la cuve, plus près de son arête 23 que de son extrémité, ou base, opposée, 33. En particulier, pour une hauteur H de prisme de 12 mm, la distance k entre l'axe 3a et l'arête 23 sera avantageusement d'environ 3 mm. A noter également que cet axe de rotation est situé à proximité du trajet suivi par le faisceau optique traversant le prisme. Concernant ce prisme, les figures 2, 3 et 6 montrent qu'il est constitué par deux parois 19 et 21, disposées en "V", c'est-à-dire formant, à l'endroit de l'arête 23, un angle P d'ouverture compris entre environ 58 et 62 . Les deux parois inclinées l'une vers l'autre, 19 et 21, sont deux lames transparentes pour les longueurs d'onde utiles aux mesures (lames de verre transparentes à 680 nm, 1,3 Zm et 1,55 pm). Les deux faces respectivement 19a, 19b et 21a, 21b de chaque lame sont strictement parallèles deux à deux. Et aucun bloc transparent n'entoure la cuve. Pour constituer ce prisme, les deux lames 19, 21, peuvent être collées ensemble à l'endroit de l'arête 23 et être disposées à l'intérieur, sur deux faces inclinées de l'angle P, l'une par rapport à l'autre, d'un berceau de métal 25 (figure 1). Sur la figure 5, on voit que la source 5 peut en particulier comprendre trois diodes laser collimatées 27, 29, 31, et un ensemble de composants optiques 35, 37, 39, permettant d'envoyer à travers la cuve 3 un faisceau fin de lumière parallèle. Dans l'exemple illustré, le composant 35 est un miroir de renvoi métallisé, le composant 37 est un cube séparateur polarisant et le composant 39 est une lame à faces parallèles avec traitement multicouches diélectriques. Les trois composants sont, dans l'ordre, associés à des diodes laser de 1550, 1330 et 670 nm. La rotation d'une barre 41 percée d'ouvertures décalées angulairement 43, 45, 47 (ce pourrait être également des méplats) permet de sélectionner la longueur d'onde désirée. Le système de détection 7 est plus particulièrement illustré en partie sur la figure 3 et en partie sur la figure 4. Il comporte, fixé sur le bras 17, une lentille de focalisation 51, ainsi que des moyens 53 de détection adaptés pour recevoir le faisceau réfracté dévié par le prisme 3 et issu du faisceau provenant de l'une des diodes laser 27, 29, 31, après renvoi d'angle en 54 (figure 1) et focalisation par la lentille 51. Le détecteur 53 peut en particulier consister en deux cellules photosensibles 55, 57, en forme de demidisques, séparées l'une de l'autre par une zone intermédiaire centrale 59, non sensible et très étroite. Le faisceau 53a a été schématisé en pointillé. Bien entendu, son diamètre est plus important que la largeur de l'espace 59. Si l'impact du faisceau lumineux 53a est homogène et s'il est centré sur la zone 59, les signaux électriques délivrés par les cellules 55 et 57 sont égaux. Ces deux signaux sont envoyés sur un amplificateur différentiel 65 qui en fait la différence et l'amplifie. L'on mesure le signal résultant sur le voltmètre 63. Dans ce cas, le signal est nul. Dans le cas où l'impact du faisceau lumineux n'est plus centré sur la zone 59, il y a déséquilibre entre les deux signaux. Le signal électrique mesuré à la sortie de l'ampli différentiel n'est plus nul. Dans les deux cas, le calculateur 9 en déduit la direction des faisceaux. La bicellule 53 pourra être en InGaAs et présenter environ 1 mm de diamètre, avec une zone 59 d'environ 0,1 mm de largeur et par exemple un maximum de sensibilité vers 1400 nm. A noter que la surface sensible de la bicellule est avantageusement réglée au foyer de la lentille 51 et que la frontière entre les deux cellules est réglée perpendiculairement au plan de rotation de la platine 15, laquelle, avec le bras 17, est ici prévue pour être entraînée par l'intermédiaire d'un moteur pas à pas de commande 56. Le réfractomètre est équipé en outre d'un codeur optique incrémental en pas entier 58 (raccordé à la platine 15), ainsi que d'un micro-ordinateur 60, périphérique, auquel appartient l'unité de calcul 9, sa mémoire associée 12 et l'unité d'affichage 11. Ce micro-ordinateur pourra en particulier commander automatiquement la rotation du bras 17, à l'aide d'une interface classique (telle qu'une interface IEEE). Pour expliquer maintenant le fonctionnement du réfractomètre, considérons tout d'abord que l'on souhaite mesurer l'indice de réfraction d'un échantillon Soit un faisceau fin monochromatique de rayons parallèles SOIO2D traversant la cuve prismatique 3 d'angle P à son arête (voir figure 2). Les lois classiques de la réfraction permettent de calculer la valeur de l'indice de réfraction nua T d'un échantillon isotrope et transparent aux longeurs d'onde souhaitées, introduit dans la cuve 3, ceci en fonction des paramètres i, i' etP ; (A'): m0 T,A nT,# = sin P ( sin i + sin i' + 2 cos P sin i sin i') i et i' sont les angles respectivement d'incidence et d'émergence du faisceau sonde S (ou faisceau incident) issu de l'une des diodes laser de la source 5. n0 T est l'indice de l'air ; T est la température de l'échantillon et d l'air, # la longueur d'onde du faisceau optique, ON et O'N', les normales aux parois respectivement 19 et 21 de la cuve 3. Les mesures des constantes de montage i et P, ainsi que de la variable i', vont être ici obtenues en utilisant les faisceaux réfléchis par les parois à faces parallèles de la cuve. En effet, les faisceaux laser sont aujourd'hui suffisamment puissants (en l'espèce environ 2 mW) pour qu'un détecteur 53 sensible, placé au foyer de la lentille 51, puisse détecter les directions des faisceaux réfléchis par ces parois. Sur la figure 6, on a schématisé en 510, 51a, 51D et 51b la lentille 51 dans les différentes positions qu'elle occupe lors des mesures définies ciaprès de "o", "a", "D" et "b", respectivement. DIR, RB et RH sont les directions des faisceaux optiques traversant la cuve, se réfléchissant sur sa première paroi 19 et sur la deuxième paroi 21, respectivement, ceci en l'absence d'échantillon, c'està-dire avec une cuve 3 vide (placée ici dans l'air). La valeur de l'indice "n" va être donnée par la formule générale (A'), dans laquelle les constantes du montage i, P sont calculées à partir des directions DIR, RB et RH. Les trois premières mesures ci-après sont effectuées cuve vide (c'est-à-dire sans que celle-ci contienne l'échantillon). On va tout d'abord prendre pour origine des directions celle du faisceau RB réfléchi par la première face 19 de la cuve. Pour cela, le collimateur de direction, c'est-à-dire le bras 17, va tourner autour de l'axe 3a jusqu'au minimum de la différence de signaux électriques détectés par la bicellule 55, 57. Ceci correspond à la position marquée "O" sur la figure 6. Une mesure de calage (origine) est alors effectuée, avec enregistrement via le codeur 58, dans l'unité de mémoire 12 du calculateur qui reçoit également les données du voltmètre 63. On fait ensuite tourner le bras pour mesurer l'angle "a", c'est-à-dire l'angle entre le faisceau RB et le faisceau direct DIR. La mesure est enregistrée dans la mémoire 12. On continue ensuite la rotation pour mesurer l'angle "b" entre les faisceaux RB et RH. Cette deuxième mesure d'angle est également enregistrée dans l'unité 12. L'échantillon est alors introduit dans la cuve. Comme déjà indiqué, il s'agit d'un fluide (gaz, liquide) ou d'un matériau visqueux propre à être coulé dans la cuve. On mesure alors toujours par rotation du bras 17, la déviation "D", c'est à dire l'angle entre le faisceau réfléchi RB et le faisceau- DEV dévié par l'échantillon. Par un programme informatique préalablement entré dans l'unité de calcul 9, on peut alors facilement exprimer i, P et i' en fonction des mesures a, b, D effectuées. En effet i = 90 - a (en degré) 2 b Cen degré) P = 180 - b 2 i' = 90 - ( ) + D (en degré) Soit: "a" et "b" sont des constantes du montage qui ne dépendent que de l'orientation du faisceau incident (S) par rapport à la cuve 3 et de l'angle d'arête "P de celle-ci. Pour mesurer l'indice de l'échantillon, il suffit donc de mesurer "D", après avoir "initialisé" l'appareil par les mesures enregistrées de "a" et "b". Pour mesurer des variations de cet indice, deux approches sont possibles : une mesure en continu ou des mesures ponctuelles, qu'elles soient manuelles ou automatisées. Pour effectuer une mesure en continu, on va tout d'abord régler le collimateur 51 dans la direction du faisceau DEV (angle D), de manière à éclairer en l'espèce symétriquement la bicellule 53, c'est-à-dire en équilibrant le flux lumineux sur les deux parties actives 55, 57. Dans cette position, le signal de tensions électriques détecté est minimum. En laissant la bicellule fixe, on suit les variations de position du faisceau incident en mesurant ce signal électrique, en continu. Etant donné que la répartition énergétique du flux n'est pas bien connue (voisine d'une gaussienne près de l'émission de la diode laser correspondante, mais déformée par les optiques de collimation), il paraît préférable de mesurer expérimentalement la fonction ss = f (VA - VB), plutôt que de réaliser un calcul de convolutions hasardeux ; avec ss = d/F, d déplacement linéaire du spot lumineux sur la bicellule, F : focale du collimateur 51 et VA - V8 : différence de tension entre les deux cellules 55, 57, en fonction du décentrage du spot. Sur la figure 7, on voit que lors d'un essai effectué à la longueur d'onde de 670 nm, la zone de linéarité s'étend jusqu'à + 30 x 103 degré (angle D) correspondant à une variation maximum de l'indice "n" de l'échantillon de + 4 x Pour des variations de "n" supérieures à quelque î- , on utilisera plutôt des mesures ponctuelles. Pour cela, au fur et à mesure des modifications de l'indice de réfraction de l'échantillon, par exemple à mesure que le gaz pénètre dans le polymère, on va rééquilibrer le flux sur la bicellule pour que la valeur de la tension fournie (VA - V8) soit toujours au minimum. Et lorsque l'équilibre va être stable dans le temps (en l'espèce caractéristiques d'un polymère saturé), on va noter la valeur de "D". Bien entendu, on aura préalablement déjà calculé la déviation pour le même échantillon, avant que le gaz n'y ait pénétré. La formule générale (A) permet de calculer la variation correspondante de "n". A noter que la valeur du rapport signal sur d'atteindre des variations de "n" inférieures à 104. A noter également que le rééquilibrage peut bien entendu être réalisé manuellement, mais qu'il est préférable d'utiliser alors un micro-ordinateur pour ramener vers l'équilibre la platine par une série de balayages autour de la position d'équilibre. A noter encore que ces mesures ont permis d'apprécier la vitesse de diffusion d'un certain nombre d'hydrocarbures utilisés dans les polymères étudiés. Le lecteur ne sera pas en outre surpris si l'on indique que le réfractomètre est très sensible à la température, c'est à dire que les indices des échantillons (et en particulier les polymères étudiés) sont sensibles à ce paramètre. Des moyens de régulation de la température ou un étalonnage peuvent donc être nécessaires. REVENDICATIONs 1.- Réfractomètre comprenant - une source lumineuse (5), pour émettre au moins un faisceau lumineux incident (S), - une cuve prismatique (3) disposée sur le chemin du faisceau lumineux et comprenant deux parois (19, 21) propres à se laisser traverser par ledit faisceau et disposées inclinées l'une par rapport à l'autre, - des moyens (7) de détection mobiles autour de ladite cuve, pour détecter au moins le faisceau issu du faisceau incident (S) et réfracté par la cuve (3), - des moyens (58, 65, 67) de mesure d'angle(s) de la position desdits moyens de détection autour de la cuve, et - des moyens (9, 63) de calcul pour fournir, en fonction de la mesure d'angle(s) obtenue, l'indice de réfraction ou une variation d'indice de réfraction d'un échantillon de fluide ou d'un corps coulant ou visqueux, transparent au faisceau incident, isotrope et disposé dans ladite cuve, caractérisé en ce que - chaque paroi inclinée de la cuve prismatique (3) comporte deux faces (19a, 19b ; 21a, 21b) parallèles entre elles, - lesdits moyens (58, 65, 67) de mesure d'angle(s) comportent des moyens (65) pour mesurer un premier angle (a) entre le faisceau émis réfléchi par la première paroi du prisme et le faisceau direct, un deuxième angle (b) entre ledit faisceau réfléchi par la première paroi et celui réfléchi par la seconde paroi du prisme, et un troisième angle (D) correspondant à l'angle de déviation entre le faisceau réfléchi par ladite première paroi et le faisceau dévié par l'échantillon disposé dans la cuve, après mesure desdits premier et deuxième angles, - et lesdits moyens (9, 63) de calcul comprennent des moyens (9) pour mesurer l'indice de réfraction de l'échantillon, à partir de la formule (A) étant l'indice de réfraction de l'air à une température (T) et à une longueur d'onde (jet) dudit faisceau. 2.- Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection sont montés sur une platine tournant autour de la cuve, suivant un axe de rotation situé à l'intérieur dudit prisme, à proximité de son arête, ladite cuve étant fixée à un bâti sur lequel est disposée fixement la source. 3.- Réfractomètre selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (7) de détection comprennent - des moyens cibles (53) de réception du faisceau considéré, ces moyens cibles étant adaptés pour transformer en signaux électriques la position de l'impact sur eux dudit faisceau, - et une lentille (51) de collimation interposée entre la cuve (3) et lesdits moyens cibles. 4.- Réfractomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens cibles (53) comprennent deux cellules (55, 57) sensibles audit faisceau lumineux émis et séparées l'une de l'autre par un espace non sensible (59). 5.- Réfractomètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (9) de calcul du réfractomètre sont conçus pour fournir l'indice à partir des mesures desdits premier et deuxième angles (a, b), alors que la cuve (3) est vide, puis dudit troisième angle (D), alors que l'échantillon est dans la cuve. 6.- Réfractomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que - les moyens de mesure sont adaptés pour relever plusieurs angles de déviation (D), - et les moyens de calcul (9) sont adaptés pour effectuer un calcul de différents indices de réfraction à partir des mesures desdits premier et deuxième angles, alors que la cuve est vide, puis de plusieurs dits troisièmes angles, alors que l'échantillon est dans la cuve. 7.- Méthode pour mesurer, à une température et à une longueur d'onde déterminées, la valeur absolue de l'indice de réfraction (nul) d'un échantillon disposé dans la cuve (3) occupant une position fixe sur le réfractomètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle méthode - on éclaire, suivant une direction donnée, avec un faisceau lumineux, une première paroi (19) de ladite cuve vide, laquelle est propre à se laisser traverser par ledit faisceau, - on mesure l'angle (a) entre ce faisceau réfléchi par ladite première paroi (19) et le faisceau direct, non dévié, ni par la première, ni par la deuxième paroi (21), - on mesure ensuite l'angle (b) entre le faisceau réfléchi par ladite première paroi (19) et celui réfléchi par ladite deuxième paroi (21), - on place l'échantillon dans la cuve (3), - on mesure la déviation (D) correspondant à l'angle entre le faisceau réfléchi par la première paroi (19) et celui ayant traversé la seconde paroi (21), après avoir été dévié par l'échantillon, - et on calcule l'indice à partir de ladite formule nOTxétant l'indice de réfraction de l'air à ladite température (T) et à ladite longueur d'onde (A) déterminées. 8.- Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'on mesure les angles par collimation, - en utilisant un détecteur de position (7) comprenant deux cellules (55, 57) photosensibles de détection, séparées par un espace non sensible (59, - et en interposant entre le détecteur (7) et la cuve prismatique (3) une lentille de collimation (51).