Brevet FR2763685A1 — publié le 19981127

La présente invention concerne un appareil de mesure de l'évolution des caractéristiques optiques d'un milieu liquide ou gazeux en circulation, par la mesure de la lumière diffusée à travers le milieu. L'invention concerne le domaine de la mesure et le contrôle de la turbidité et le comptage de particules. La turbidité d'un milieu liquide ou gazeux se définit comme l'expression de la propriété optique du milieu à disperser ou absorber la lumière plutôt que de la transmettre en ligne droite. La dispersion et l'absorption de la lumière sont provoquées par l'interaction de la lumière avec les particules en suspension dans le milieu. A l'origine, la mesure de la turbidité était la mesure de l'atténuation de la lumière transmise à travers un échantillon liquide. Mais, cette mesure d'atténuation n'est pas significative pour les faibles turbidités. Selon l'art antérieur, on réétalonne l'appareil à chaque mesure en utilisant un modèle pour la comparaison. Les turbidimètres connus fonctionnent d'une manière discontinue par prélèvement. Ils utilisent une petite cuve. Certaines comparaisons se font manuellement, d'autres se font automatiquement mais toujours de manière discontinue. Une nouvelle réglementation par exemple la norme française NF EN 27027 prévoit de comparer le milieu à mesurer à un milieu échantillon à base de formazine constituant l'étalon primaire de la turbidité. Selon cette norme, la mesure de la turbidité consiste à mesurer la lumière diffusée par les particules du milieu, soit à angle droit par rapport à la direction d'émission du faisceau, soit en direct (1800), c'est-à-dire dans l'alignement du faisceau incident. La quantité de lumière diffusée dans une direction est proportionnelle à la concentration des particules. Les unités de mesure sont les unités néphélométriques formazine (F.A.U.). La quantité de lumière diffusée par une particule dépend entre autres de sa taille, de sa forme, de son orientation, de sa composition et des indices de réfraction, celui du liquide et celui des particules. Il faut dans ces conditions étalonner l'appareil de mesure. On distingue différentes gammes de turbidité - faible turbidité : 0 à 3 F.A.U. - moyenne turbidité : 0 à 30 F.A.U. 0 à 300 F.A.U. - forte turbidité . 0 à 3000 F.A.U. Actuellement et selon les anciennes normes, la mesure de la turbidité d'un milieu se fait par échantillonnage, en prélevant un échantillon du milieu et en le comparant à des échantillons de référence. Cette technique par échantillonnage est longue ; elle nécessite des opérations de prélèvement et surtout ne permet pas de surveiller efficacement et automatiquement l'évolution d'un milieu. La mesure de la turbidité évoquée ci-dessus se révèle parfois insuffisante pour le contrôle de fluide et tend à être remplacée par le comptage de particule, selon des techniques connues. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques connues et se propose de créer un appareil de mesure de comptage et d'analyse d'un fluide permettant une mesure en continu d'un milieu liquide ou gazeux pour en déterminer l'évolution et prendre les dispositions appropriées en fonction de cette évolution, notamment pour la surveillance et le contrôle de fluides tels que l'eau de consommation et les eaux rejetées après traitement, d'origine ménagère ou industrielle, liquides alimentaires, lait, jus de fruits. A cet effet, l'invention concerne un appareil mettant en oeuvre le principe de la mesure de la lumière diffusée à travers le milieu, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend - un capteur ayant un passage traversé par le milieu à mesu rer, - une source de lumière monochromatique et stabilisée sur une longueur d'onde dirigée à travers le passage, - un photodétecteur aligné sur la source de l'autre côté du passage, selon un angle dépendant des applications, - un débitmètre, - un circuit d'exploitation formé d'un circuit d'alimentation de la source et de mise en forme des signaux du photodétec teur et du débitmètre, et d'un circuit de traitement pour évaluer les signaux du capteur et du débitmètre et fournir des données représentatives. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - le débitmètre est un débitmètre à ultrasons - le débitmètre comprend une sonde de température - le débitmètre comprend un générateur d'ultrasons pour le nettoyage permanent ou périodique de l'intérieur du capteur traversé par le fluide. L'appareil de mesure selon l'invention permet un fonctionnement continu, c'est-à-dire une surveillance ou une évaluation permanente du fluide (liquide ou gaz) chargé ou dont on veut surveiller la turbidité et plus généralement la concentration en particules, ce qui constitue un avantage et une sécurité extrêmement importants. Cela réduit considérablement les risques, notamment de pollution ou d'accident industriel sans pour autant nécessiter la présence permanente d'un agent. Le circuit de traitement contient la courbe d'étalonnage et de préférence un modèle théorique, choisi suivant l'analyse à effectuer. Plusieurs modèles peuvent être en mémoire dans l'appareil, ce qui lui permet de valider immédiatement la mesure fournie par le capteur. L'appareil est étalonné en usine une fois pour toutes. Il ne nécessite aucun réétalonnage à chaque mesure. Son étalonnage en usine peut être fait par un automate programmable pour permettre à l'appareil d'effectuer différents types d'analyses ou de comptages de particules ou de mesures de turbidité, par exemple dans différentes plages telles que celles définies par les normes. Malgré cet étalonnage quasi définitif en usine, il est toujours souhaitable d'effectuer un contrôle régulier de l'appareil comme l'imposent certaines normes 'nationales relatives aux instruments de mesure ou appareils assimilés. Comme cet appareil tient compte du débit pour le comptage des particules, on obtient un résultat indépendant du débit. Cela est très important pour les mesures faites en continu puisque les débits des fluides analysés peuvent varier. Cette surveillance continue et le traitement quasi instantané des signaux permet une intervention rapide sur le circuit du fluide à contrôler et analyser. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses - la source est une diode laser, - le circuit de mise en forme des signaux du photodétecteur se compose d'un filtre et d'un amplificateur, - l'appareil mesure la température du fluide analysé, - le circuit de traitement comprend un microprocesseur dans lequel est enregistrée un modèle théorique et différentes sorties de relayage, d'affichage, vers un enregistreur ou vers un ordinateur ou un automate. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe de l'appareil de mesure selon l'invention, - la figure 2 est un schéma par blocs de l'appareil de la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective, coupée, d'un mode de réalisation d'un capteur, - la figure 4 est une représentation schématique de l'installation d'un appareil de mesure en dérivation sur une conduite. A la figure 1, l'appareil de mesure selon l'invention de l'évolution des caractéristiques optiques d'un milieu liquide ou gazeux en circulation, mettant en oeuvre la mesure de la lumière diffusée en direct à travers le liquide, se compose d'un capteur 100 et d'un circuit d'exploitation 200 du signal du capteur. Le capteur 100 se compose d'un corps 110 dans lequel est réalisé un passage 111 traversé par le milieu à mesurer (flèche A) (axe YY). Ce corps 110 loge une source de lumière monochromatique et stabilisée sur une longueur d'onde 112 formée d'une diode 113 et de son équipement optique (lentille) 114. La diode 113 est reliée au circuit d'exploitation 200 qui stabilise sa longueur d'onde et sa puissance. La source 112 est dirigée en travers du passage 111 suivant l'axe XX. Le capteur 100 comprend également un photodétecteur 120 aligné, selon un angle dépendant des applications, sur la source 112, de l'autre côté du passage 111. Ce photodétecteur 120 comprend un photodétecteur semiconducteur 121 tel qu'un phototransistor précédé d'une optique 122. Ce photodétecteur 120 fournit un signal de mesure au circuit d'exploitation 200. Le capteur 100 est également équipé d'un débitmètre 140, par exemple à ultrasons, qui fournit son signal S2 au circuit d'exploitation 200. Suivant les applications, le capteur comporte également une sonde de température 150, lorsque par exemple la température du fluide est susceptible de varier de manière significative pour le signal résultant. Le signal S3 de la sonde de température est également fourni au circuit 200. Le circuit d'exploitation 200 se compose d'un circuit de mise en forme 210 des signaux du capteur 100 et d'un circuit de traitement 220 du signal ainsi mis en forme. Le circuit de mise en forme 210 reçoit les signaux S1, S2, S3 du photodétecteur 120 du débitmètre 140 et du capteur de température 150 pour les filtrer et les amplifier puis fournir les signaux S4, SSI S6 mis en forme, au circuit de traitement 220 constitué par un microprocesseur. Ce circuit de traitement 220 compare le signal obtenu à un ou des signaux de référence, pour former un signal représentatif de la turbidité du fluide en unités F.A.U., après l'avoir corrigé en tenant compte du débit et, le cas échéant, de la température du fluide analysé. Le circuit d'exploitation 200 comporte également une mémoire permettant d'enregistrer les signaux reçus ainsi que des moyens d'affichage ou d'enregistrement des signaux. La figure 2 montre sous la forme d'un schéma-bloc la structure de l'appareil selon la figure 1. Cette description utilisera les mêmes références qu'à la figure 1 pour désigner les mêmes éléments. Selon la figure 2, l'appareil comprend une diode laser 112 avec son alimentation 115 reliée au circuit de traitement 200 par un câble 300. Dans cette réalisation, le capteur 100 comporte une partie du circuit d'exploitation à savoir le circuit d'alimentation 15 de la diode 113 de la source 112 ainsi que les moyens de mise en forme des signaux fournis par le photodétecteur 121. A cet effet, il comporte un filtre 123 qui filtre les signaux pour séparer les parasites. Le filtre 123 est suivi d'un amplificateur 124 et d'une sortie 125. Le câble 300 qui fait la liaison entre le capteur 100 et le circuit d'exploitation 200 est de préférence un câble blindé mis à la masse 301 par son blindage 302. Le circuit d'exploitation 200 se compose d'une alimentation générale 201 qui fournit l'énergie électrique sous la forme demandée par les différents utilisateurs ; notamment cette alimentation générale 201 est reliée à l'alimentation régulée 115 de la diode 113. L'alimentation générale 201 est également reliée au microprocesseur 202 constituant le circuit de traitement des données. L'entrée de l'alimentation générale 201 est, par exemple, la tension à 220 volts du réseau. Le microprocesseur 202 reçoit, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique/numérique 203 les signaux du capteur transmis par la ligne 300 reliée à un circuit d'entrée 204. Les données traitées par le microprocesseur 202 à partir des informations fournies par le convertisseur analogique/numérique 203 sont transmises soit à un moyen de relayage 205 qui gère les différentes commandes pour la mise en route d'alarmes en cas de dépassement des seuils de turbidité ou de pompes et notamment de pompes de circulation et de relevage. Le microprocesseur 202 fournit également les informations à un moyen d'affichage 206 permettant d'afficher immédiatement la turbidité mesurée. Le microprocesseur 202 est relié à une sortie d'enregistreur par un convertisseur numérique/analogique 207 et un circuit entrée/sortie 208. Enfin, le microprocesseur 202 est relié par une interface 209 à une sortie RS 232C assurant la liaison avec un ordinateur ou un automate. Suivant les analyses de fluide à réaliser, l'appareil peut donner des mesures de turbidité ou effectuer un comptage de particules, donnant un histogramme ou une moyenne ainsi que d'autres informations accessoires comme par exemple le débit et la température du fluide. La figure 3 montre un exemple de capteur de l'appareil de mesure selon l'invention. Ce capteur 100 se compose d'un ensemble cylindrique avec un ajutage d'entrée 131 et de sortie 132, par exemple filetés, par lesquels on raccorde le capteur 100 sur une conduite principale si le débit de liquide n'est pas important ou en dérivation de la conduite principale si le débit de fluide dans la conduite principale est important. Ce capteur 100 comprend un corps 132 dans lequel est réalisé un passage débouchant à l'entrée 131 et à la sortie 132. En travers de ce passage, il y a un logement transversal qui reçoit la source 133 munie de son optique 134, l'ensemble étant placé dans ce logement étagé et y est fixé. L'alimentation de la diode constituant la source 133 n'apparaît pas dans ce dessin. La diode 133 dirige son faisceau à travers le passage 135 parcouru par le milieu à mesurer. De l'autre côté et de manière alignée avec la diode 133, se trouve le détecteur 136 en forme de photodiode ; cette photodiode 136 est bloquée dans un logement par un écrou d'arrêt 137 de même que la source est bloquée dans son logement par un écrou 138. Le débitmètre 140 et la sonde de température 150 sont également prévus dans cet exemple. Le capteur 100 comporte également une carte 139 munie de la partie du circuit de traitement qui doit être si tuée à proximité immédiate de la source de signaux, c'est-àdire la diode 133 et le photodiode 136. Le circuit comprend ainsi l'alimentation de régulation de la source, un filtre suivi d'un amplificateur et l'unité de sortie. Le câble 300 sortant du capteur est également représenté dans cette figure. Selon la construction de ce mode de réalisation, le capteur proprement dit est monté entre deux flasques 141, 142, non symétriques mais cylindriques, et qui portent l'une l'embout d'entrée 131, l'autre l'embout de sortie 132. Ces flasques sont réunis par des vis. Il y a également des joints d'étanchéité 143 qui ferment l'ensemble de manière étanche. Selon l'exemple de réalisation, la source 133, sa lentille et le détecteur, sont alignés à l'équerre par rapport à l'axe de circulation du fluide à l'intérieur du boîtier. Selon le mode de réalisation, les flasques d'extrémité sont en PVC. Elles sont maintenues chacune par des vis 145. Le boîtier proprement dit peut avoir un corps en laiton et l'enveloppe en PVC. Dans le cas d'un milieu agressif, l'ensemble sera en acier inoxydable. Le capteur selon l'invention permet de mesurer, suivant le modèle théorique qu'il contient, des turbidités différentes. Ainsi, il peut mesurer - une eau ou un fluide très purs dans la gamme des O à 3 F.A.U., - de l'eau débarrassée de ses impuretés qui correspond à la gamme F.A.U. 0-30, - des eaux chargées en impuretés correspondant à la gamme F.A.U. 0 à 300 et - des eaux très chargées pour la gamme F.A.U. comprise entre 0 et 3000 F.A.U. Le capteur et par suite l'appareil de mesure selon l'invention, fonctionnent en continu et permettent de surveiller en continu un fluide gazeux ou liquide. La figure 4 montre un exemple d'implantation d'un capteur 100 et de son circuit d'exploitation 200, en dériva tion 401 sur une conduite importante 400. Le capteur 100 intégré à la dérivation 401 est relié au circuit d'exploitation 200 par le câble 300. Le capteur 100 se situe dans l'installation industrielle alors que le circuit d'exploitation 200 est de préférence situé dans un emplacement protégé tel qu'une salle de contrôle regroupant les différents tableaux de commande de l'installation. Le circuit d'exploitation 200 selon cet exemple comporte un afficheur avec un menu déroulant. Le capteur décrit ci-dessus se nettoie facilement par un moyen mécanique tel qu'une brosse ou un goupillon que l'on introduit dans le passage 111, 135 ou encore par un émetteur d'ultrasons intégré dans le capteur. REVENDICATIONS 10) Appareil de mesure de l'évolution des caractéristiques optiques d'un milieu liquide ou gazeux en circulation, par la mesure de la lumière diffusée à travers le milieu, caractérisé en ce qu'il comprend - un capteur (100) ayant un passage (111) traversé par le mi lieu à mesurer, - une source de lumière monochromatique et stabilisée sur une longueur d'onde (112) dirigée à travers (XX) le passage (111), - un photodétecteur (121) aligné selon un angle dépendant des applications sur la source (112) dans le passage (111), - un débitmètre (140), - un circuit d'exploitation (200) formé d'un circuit d'alimentation (115) du laser (112) et de mise en forme (210) des signaux du photodétecteur (100), et d'un circuit de traitement (220) pour évaluer les signaux du capteur (100) et du débitmètre et fournir des données représentati ves. 2") Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (112) est une diode laser (113). 30) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (120) comporte une photodiode (121). 40) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de mise en forme (210) des signaux du photodétecteur (100) se compose d'un filtre (123) et d'un amplificateur (124). 5 ) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de traitement (220) comprend un microprocesseur (221) dans lequel est enregistrée un modèle théorique et dif férentes sorties de relayage (205), d'affichage (206), vers un enregistreur (208) ou vers un ordinateur ou un automate (209). 60) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débitmètre (140) est un débitmètre à ultrasons. 7O) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend une sonde de température (150). 80) Appareil de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend un générateur d'ultrasons pour le nettoyage permanent ou périodique de l'intérieur du capteur traversé par le fluide.