Brevet FR2763129A1 — publié le 19981113

DISPOSITIF A FIBRES OPTIQUES DE DETECTION AUTOMATIQUE DE SUBSTANCES ETRANGERES DANS UN LIQUIDE. L'invention concerne un dispositif à fibres optiques de détection automatique de substances étrangères dans un liquide, en particulier pour la détermination en continu de la présence et de la concentration de particules en suspension ou d'un liquide en émulsion dans un liquide transporté dans un conduit. I1 est déjà connu de détecter la présence de substances étrangères en suspension dans un liquide (sa turbidité) par prélèvement d'une quantité de liquide et observation à l'oeil, cette observation consistant à évaluer la visibilité d'objets, de signes, d'un texte, etc... à travers une certaine épaisseur de liquide. I1 est également connu de faire passer un faisceau lumineux dans une cellule de mesure contenant un prélèvement de liquide et de capter et mesurer une partie de la lumière diffusée par des particules en suspension dans le liquide, la quantité de lumière diffusée étant fonction de la taille des particules, de leur indice de réfraction et de leur concentration. Toutefois, les signaux détectés sont d'intensité très faible, il faut procéder au remplissage d'une cellule de mesure, et il faut alimenter électriquement des détecteurs optiques, ce qui rend l'installation complexe, en particulier quand le liquide transporté est combustible ou explosif. L'invention a pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure et d'apporter une solution simple, satisfaisante et fiable au problème de la détection automatique et continue d'une ou de plusieurs substances étrangères dans un liquide, en particulier un liquide transporté dans un conduit. Elle propose, à cet effet, un dispositif comprenant au moins une source lumineuse, des moyens de transmission permettant de faire passer à travers le liquide le faisceau lumineux émis par la source, et des moyens pour déterminer la présence ou la concentration d'une substance étrangère dans le liquide à partir de la lumière diffusée par cette substance, caractérisé en ce qu'il comprend - un boîtier immergé dans le liquide et comportant des moyens de transmission du faisceau lumineux à travers le liquide et des moyens de reprise de ce faisceau après traversée du liquide, - au moins un photo-détecteur recevant le faisceau lumineux repris et générant des signaux de sortie correspondant aux intensités lumineuses reçues dans au moins deux bandes de longueurs d'onde dans lesquelles des substances à détecter ont des caractéristiques différentes d'atténuation de la lumière, - des moyens de liaison à fibres optiques reliant le boîtier à la source lumineuse et au photodétecteur, - des moyens de traitement des signaux de sortie du photo-détecteur et de signaux correspondant à l'intensité du faisceau émis dans les deux bandes précitées de longueurs d'onde avant traversée du liquide, - et des moyens d'enregistrement et/ou d'affichage des signaux de sortie des moyens de traitement et/ou de déclenchement d'une alarme quand un signal de sortie des moyens de traitement est supérieur à un seuil prédéterminé. Le dispositif selon l'invention a pour avantage de permettre la détermination de la présence et/ou de la concentration desdites substances à partir de la mesure, non pas de la lumière diffusée par ces substances, mais de l'intensité du faisceau lumineux après traversée du liquide et desdites substances, ce qui permet de traiter des signaux lumineux de niveau élevé. Le dispositif selon l'invention permet en outre d'opérer directement sur un liquide transporté dans un conduit, pour la détection automatique en continu, à distance, de ces substances sans aucun prélèvement de liquide. De plus, les moyens immergés dans le liquide sont passifs et peuvent donc être utilisés dans des liquides inflammables ou explosifs. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce dispositif comprend au moins deux sources lumineuses, émettant chacune dans une bande de longueurs d'onde précitée, ces deux sources étant avantageusement reliées à une voie unique de transmission par des moyens de multiplexage. Les moyens de multiplexage peuvent être du type temporel, par exemple à commutation, et il est alors possible de n'utiliser qu'un seul photo-détecteur pour la réception du faisceau lumineux après traversée du liquide. On peut aussi, en variante, utiliser deux photo-détecteurs en parallèle, qui sont raccordés par des fibres optiques et des moyens de démultiplexage aux moyens précités de reprise du faisceau lumineux après traversée du liquide. Dans une autre variante, on peut n'utiliser qu'une seule source lumineuse, émettant sur une bande de longueurs d'onde relativement large comprenant les deux bandes précitées de longueurs d'onde, et utiliser deux photorécepteurs en parallèle, à chacun desquels on associe un filtre dont la bande passante correspond à l'une des bandes de longueurs d'onde précitées. De façon générale, l'invention est applicable dans de nombreux domaines pour la détermination automatique et continue de la turbidité d'un liquide et pour la détection de substances étrangères en suspension dans le liquide, ainsi que pour la mesure de leur concentration. Elle est en particulier applicable à la détection d'eau et de sédiments dans des produits pétroliers raffinés transportés par oléoducs. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement la configuration générale d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du module opto-électronique de ce dispositif - la figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation de ce module. Le dispositif de la figure 1 comprend un boîtier 10 étanche qui est immergé dans un liquide 12 transporté dans un conduit 14 et qui est relié par des fibres optiques 16, 18 à un module opto-électronique 20 associé à des moyens 22 de visualisation et d'affichage, à des moyens 24 d'enregistrement et à des moyens 26 de signalisation ou d'alarme. Le module 20 comprend, comme cela sera décrit plus en détail en référence aux figures 2 et 3, des moyens d'émission d'un faisceau lumineux transmis par la fibre optique 16 dont une extrémité est reliée à une voie d'entrée du boîtier 10 au moyen d'un connecteur 28. De même, une voie de sortie du boîtier 10 comporte un connecteur 30 de liaison à une extrémité de l'autre fibre optique 18. Le boîtier 10 est, dans cet exemple de réalisation, sensiblement en forme de U et est monté à étanchéité, par une bride de fixation 32, dans un orifice de la paroi du conduit 14. L'une des branches du boîtier 10 comporte les connecteurs d'entrée et de sortie 28, 30 et des moyens 34 de collimation de la lumière sortant de la fibre 16 et de focalisation de la lumière sur l'extrémité de la fibre 18. L'autre branche du boîtier comporte un rétro-réflecteur 36 permettant de réfléchir vers l'extrémité de la fibre 18, la lumière transmise par la fibre 16 et les moyens de collimation 34. Les deux branches du boîtier délimitent entre elles une veine d'écoulement du liquide 12 transporté dans le conduit 14. Le boîtier 10 peut par exemple être réalisé en acier inoxydable ou en tout autre matière résistant bien au liquide 12, et comporte alors des hublots en matière transparente (typiquement du verre) laissant passer d'une branche à l'autre les faisceaux lumineux 38 sortant de la fibre 16 et 40 renvoyé par le rétro-réflecteur 36. Les fibres optiques 16, 18 reliant le boîtier 10 au module opto-électronique 20 peuvent avoir une longueur relativement importante, par exemple de plusieurs dizaines ou plusieurs centaines ou plusieurs milliers de mètres. De même, le module 20 peut se trouver au voisinage des moyens d'affichage 22, d'enregistrement 24 et de signalisation 26 ou en être relativement éloigné. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le module 20 comprend deux sources lumineuses 42, telles que des diodes électroluminescentes ou des diodes laser, émettant dans des bandes de longueurs d'onde différentes dans lesquelles les substances à détecter ont des caractéristiques différentes d'atténuation de la lumière. On choisit avantageusement des bandes de longueur d'onde utilisées dans le domaine des télécommunications, ce qui permet d'utiliser des composants standard. Par exemple, pour la détection d'eau et de sédiments tels que de l'oxyde de fer dans un produit pétrolier raffiné, ces bandes de longueurs d'onde peuvent être centrées sur 800 nm et 1300 nm (ou 1550 nm), les sédiments ayant des caractéristiques différentes d'atténuation de la lumière dans ces deux bandes de longueurs d'onde, tandis que celles de l'eau libre en émulsion sont les mêmes pour ces deux bandes. Les sources lumineuses 42 sont reliées à la fibre optique 16 par l'intermédiaire de fibres optiques 44 et de moyens de multiplexage 46, ainsi que par un connecteur (non représenté). Des coupleurs passifs 48 prévus sur les fibres optiques 44 et des fibres optiques 50 permettent d'appliquer à des photo-détecteurs 52 une fraction des faisceaux lumineux émis par les sources 42, pour la mesure de niveaux de référence. Deux autres photorécepteurs 54 reçoivent, par l'intermédiaire de fibres optiques 56 et de moyens 58 de démultiplexage (tels que des filtres ayant des bandes passantes correspondant aux bandes de longueurs d'onde précitées des sources 42), le faisceau lumineux transmis par la fibre optique 18. Les sorties des photo-détecteurs 52, 54 sont reliées à des entrées de moyens 60 de numérisation et de traitement de l'information, destinés à déterminer la présence et la concentration de substances étrangères dans le liquide 12 à partir des signaux de sortie des photorécepteurs 52 et 54. Ces derniers sont bien entendu choisis en fonction des longueurs d'onde des signaux qu'ils reçoivent et sont par exemple des photodiodes de type PIN. Le dispositif qui vient d'être décrit fonctionne de la façon suivante Le liquide 12 transporté dans le conduit 14 est par exemple un produit pétrolier raffiné (tel que du kérosène) dans lequel peuvent se trouver de l'eau libre en émulsion et une suspens ion de sédiments (par exemple d'oxydes de fer) dont les concentrations doivent être mesurées et surveillées en continu. Les faisceaux lumineux émis par les sources 42 dans les deux bandes de longueurs d'onde précitées sont multiplexés par les moyens 46 et transmis par la fibre optique 16 au boîtier 10 immergé dans le liquide 12, le faisceau lumineux partant de la fibre 16 étant collimaté et transmis en direction du rétroréflecteur 36 qui le renvoie en direction de l'extrémité de la fibre optique 18 dans laquelle il est focalisé par les moyens 34. La présence d'une émulsion d'eau ou d'une suspens ion de sédiments dans le liquide 12 provoque une atténuation du flux lumineux à la double traversée de la veine liquide passant entre les deux branches du boîtier 10. Le faisceau lumineux focalisé sur l'extrémité de la fibre 18 est transmis aux photorécepteurs 54 par l'intermédiaire des moyens de démultiplexage 58 et les signaux de sortie des photorécepteurs 52 et 54 sont appliqués aux entrées des moyens 60 de numérisation et de traitement. Pour corriger d'éventuelles fluctuations des niveaux de flux émis par les sources 42, les signaux de sortie des photo-détecteurs 54 sont normalisés au moyen des signaux de sortie des photo-détecteurs 52 (on peut par exemple faire le rapport de ces signaux). Comme indiqué plus haut, les caractéristiques d'atténuation de la lumière par des particules solides sont différentes dans les deux bandes de longueurs d'onde utilisées, tandis que celles de l'eau en émulsion sont sensiblement les mêmes. On peut donc, par comparaison des signaux de sortie normalisés des photorécepteurs 54, déterminer si le liquide 12 contient une émulsion d'eau ou une suspension de particules solides. On peut également, par mesure des signaux de sortie normalisés des photorécepteurs 54, déterminer la concentration d'eau ou de particules solides dans le liquide 12 moyennant un étalonnage préalable, et déclencher une alarme lorsque la concentration détectée est supérieure à un seuil prédéterminé. On peut également détecter ainsi la présence simultanée d'eau et de particules solides dans le liquide 12. La détection de la présence de substances étrangères dans un liquide et la mesure de leur concentration.sont réalisées à partir de signaux lumineux de niveau élevé, ce qui permet d'améliorer considérablement le rapport signal/bruit. Ce rapport peut encore être amélioré si l'on réalise une modulation des faisceaux lumineux fournis par les sources 42 et une détection synchrone des signaux de sortie des photorécepteurs. Par ailleurs, la faible ouverture numérique des extrémités des fibres optiques 16 et 18 permet, par un effet de filtrage spatial, d'amplifier la variation de transmission du faisceau lumineux qui est due à la diffusion par les substances étrangères. De plus, les signaux utiles sont captés dans l'axe de propagation de la lumière, ce qui simplifie le montage mécanique. Une variante de réalisation du module 20 est représentée schématiquement en figure 3 et diffère de la réalisation de la figure 2 en ce que les sources lumineuses 42 sont allumées séquentiellement et sont associées à des moyens 62 de multiplexage temporel qui sont par exemple du type à commutation et dont les sorties sont reliées par des moyens de multiplexage 64 à la fibre optique 16. Dans cette réalisation, on peut alors n'utiliser qu'un seul photorécepteur 54 pour la réception des signaux lumineux transmis par la fibre optique de retour 18. On peut également, grâce à un coupleur passif 66 et des moyens de multiplexage 68, appliquer à ce photo-détecteur 54 une fraction des faisceaux lumineux émis par les sources 42, pour l'obtention de niveaux de référence. On peut encore, dans une autre variante, utiliser une seule source lumineuse émettant sur une bande de longueurs d'onde relativement large incluant les deux bandes de longueurs d'onde précitées, et appliquer les signaux fournis par la fibre optique de retour 18 à deux photorécepteurs en parallèle qui sont associés chacun à un filtre dont la bande passante correspond à l'une des bandes de longueurs d'onde précitées. De façon générale, la dynamique des signaux mesurés est de 30 dB et correspond à des valeurs minimales et maximales de teneurs en sédiments qui varient avec la nature des sédiments et qui peuvent être typiquement de 1 et de 100 mg/l. Pour de l'eau libre en émulsion dans du kérosène, le seuil de détection est d'environ 50 ppm. On peut bien entendu faire les détections et mesures précitées sur plus de deux bandes de longueurs d'onde, pour améliorer la distinction entre deux substances à détecter, pour s'affranchir d'un effet parasite de couleur d'une substance ou du liquide luimême, ou pour détecter plus de deux substances différentes dans le liquide. REVENDICATIONS 1) Dispositif à fibres optiques de détection automatique de substances étrangères dans un liquide, comprenant au moins une source lumineuse (42), des moyens de transmission permettant de faire passer à travers le liquide (12) le faisceau lumineux émis par la source (42) et des moyens (54, 60) pour déterminer la présence ou la concentration d'une substance étrangère dans le liquide à partir de la lumière diffusée par cette substance, caractérisé en ce qu'il comprend - un boîtier (10) immergé dans le liquide (12) et comprenant des moyens (28, 34) de transmission du faisceau lumineux à travers le liquide et des moyens (30, 34) de reprise de ce faisceau après traversée du liquide, - au moins un photo-détecteur (54) recevant le faisceau lumineux repris et générant des signaux de sortie correspondant aux intensités lumineuses reçues dans au moins deux bandes de longueurs d'onde dans lesquelles des substances à détecter ont des caractéristiques différentes d'atténuation de la lumière, - des moyens de liaison à fibres optiques (16, 18) reliant le boîtier (10) à la source lumineuse (42) et au photo-détecteur (54), - des moyens (60) de traitement des signaux de sortie du photo-détecteur (54) et de signaux correspondant aux intensités du faisceau dans les deux bandes précitées de longueurs d'onde avant traversée du liquide, - et des moyens (22, 24, 26) d'enregistrement et/ou d'affichage des signaux de sortie des moyens de traitement et/ou de déclenchement d'une alarme quand un signal de sortie des moyens de traitement est supérieur à un seuil prédéterminé. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux sources lumineuses (42), émettant chacune dans l'une des bandes de longueurs d'onde précitées. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux sources (42) sont reliées à une voie unique (16) de transmission par des moyens (46) de multiplexage. 4) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (62), par exemple du type à commutation, de multiplexage temporel des faisceaux lumineux émis par les sources (42). 5) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de reprise du faisceau lumineux après traversée du liquide sont reliés par des moyens de démultiplexage (58) à des photodétecteurs (54) parallèles ou à un seul photo-détecteur (54) quand les sources lumineuses (42) sont associées à des moyens de multiplexage temporel. 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seule source lumineuse émettant un faisceau lumineux dans une large bande de longueurs d'onde incluant les deux bandes précitées, et deux photo-détecteurs de réception du faisceau lumineux après traversée du liquide, chaque photo-détecteur étant associé à un filtre ayant une bande passante correspondant à l'une des bandes de longueurs d'onde précitées. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les substances à détecter comprennent des particules de sédiments en suspension dans le liquide et une émulsion d'un autre liquide tel par exemple que de l'eau. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide (12) est transporté dans un conduit (14) et est, par exemple, un produit pétrolier raffiné. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le boîtier précité (10) est monté à étanchéité dans un orifice de la paroi du conduit (14). 10) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier (10) est sensiblement en U, une de ses branches comportant les moyens (16, 18, 28, 30) d'amenée et de reprise du faisceau lumineux, l'autre branche comprenant. un rétroréflecteur (36) aligné avec les moyens d'amenée et de reprise du faisceau lumineux, les deux branches du boîtier délimitant entre elles une veine de passage de liquide. 11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités des fibres optiques de liaison (16, 18) sont associées, dans le boîtier (10), respectivement à des moyens (34) de collimation et de focalisation de la lumière.