Brevet FR2777354A1 — publié le 19991015

l 2777354 Procédé et dispositif de mesure optique de la transparence d'un liquide La présente invention a pour objet un procédé et dispositif de mesure optique de la transparence d'un liquide. Le secteur technique de l'invention est le domaine de la recherche ou de l'analyse des matériaux, en particulier pour les liquides, par moyen optique. L'application principale de l'invention est de pouvoir déterminer la turbidité de l'eau, essentiellement pour contrôler sa qualité, en détectant en particulier les matières en suspension ou en émulsion, tels que des hydrocarbures, qui y seraient mélangés; la détermination de cette turbidité est décrite dans la norme européenne et française NF, EN 2707 de 1994, qui reproduit intégralement la norme ISO 7027 de 1990 et auxquelles l'homme du métier pourra se reporter pour une meilleure compréhension éventuelle de la présente invention. Il est rappelé en particulier que dans les liquides, la turbidité résulte de la présence de matières non dissoutes qui sont finement dispersées: elle peut être déterminée par le mesurage de l'atténuation du flux lumineux lors de son passage à travers le liquide, ou par le mesurage de l'intensité de la lumière diffusée; la diffusion de la lumière est en effet une propriété des liquides qui peut être utilisée pour mesurer cette turbidité; la norme européenne référencée ci-dessus décrit quatre méthodes optiques de détermination de la turbidité de l'eau pour obtenir des informations de terrain sur les eaux superficielles, les eaux potables et les eaux résiduaires. La turbidité étant un paramètre global pour la détermination du niveau de pollution ou d'efficacité d'un procédé industriel, la présente invention peut avoir de nombreuses utilisations telles que: - surveillance des rejets en sortie des stations d'épuration, eaux résiduaires chargées, - contrôle de procédé d'épuration ou de procédé industriel, - qualité de l'eau dans les bassins de décantation, les eaux de rivière et les lacs, - détection d'anomalie du fonctionnement sur des filtres, séparateurs industriels, 2 2777354 - contrôle des effluents industriels, tels qu'en particulier pétroliers, contrôle du déballastage de navires pétroliers, - contrôle des rejets en mer des eaux de cales des navires. De nombreux équipements ont ainsi été développés pour permettre la mesure de la turbidité en milieu aqueux et plus récemment, pour satisfaire la norme ci-dessus; certains de ces appareils ont pu faire l'objet de dépôts de demandes de brevet, tels que la demande EP 596231 publiée le 11 mai 1994, ou la demande internationale WO 9800701 publiée le 8 janvier 1998, qui décrit la combinaison d'un néphélomètre et d'un turbidimètre; on rappelle que la néphélométrie est la mesure de la concentration d'une émulsion d'après sa transparence. Si ces appareils de mesure optique donnent entièrement satisfaction pour ce qui concerne la prise de mesure de l'intensité optique d'une lumière donnée après avoir traversé une distance déterminée dans le liquide à contrôler, la mesure proprement dite est souvent altérée par le fait que des salissures tels que des hydrocarbures, peuvent se déposer à la surface des interfaces optiques immergées dans le liquide; ceux-ci permettant d'une part l'émission de la lumière dans ce liquide, et d'autre part la réception de celle-ci pour en faire la mesure: à ce jour, les procédés et dispositifs basés sur le principe de l'essuie-glace sont insuffisants et nécessitent une maintenance assidue. Le problème posé est donc de pouvoir garantir une propreté desdites surfaces d'interface optiques avant chaque mesure pour que celles-ci soient fiables et sans dispositif mécanique nécessitant une maintenance lourde. Une solution au problème posé est un procédé de mesure optique de la transparence d'un liquide à partir d'un analyseur de turbidité, comprenant au moins un émetteur de lumière traversant une pièce optique, telle qu'un barreau, une fibre optique ou autre, d'interface avec le liquide ainsi éclairé, et au moins une cellule de mesure recevant à travers une deuxième pièce optique d'interface, une partie de ladite lumière ayant parcouru une distance donnée dans ledit liquide. Suivant l'invention: 3 2777354 - on génère au voisinage des interfaces optique/liquide, émettrices et réceptrices desdites pièces optiques en contact avec ledit liquide, des ondes ultrasonores; - on crée ainsi des micro-cavités gazeuses dans le liquide et on décape et nettoie lesdites surfaces d'interface quand ces microcavités implosent - on arrête l'émission desdites ondes ultrasonores et on relève alors la mesure de la lumière reçue par la cellule. Dans un mode préférentiel de réalisation, le dispositif suivant l'invention comporte une sonde immergeable dans le liquide, et dont le boîtier étanche comprend au moins l'émetteur de lumière, la cible de mesure, leurs pièces optiques associées d'interface et le générateur d'ultrasons dont le pavillon intègre les deux dites pièces optiques qui ont ainsi une surface commune d'émission avec celui-ci. Le résultat est de nouveaux procédés et dispositifs de mesure de la transparence d'un liquide répondant au problème posé et permettant en particulier de mesurer la turbidité dudit liquide avec toute la fiabilité voulue. En effet, contrairement aux turbidimètres actuels, le dispositif suivant l'invention permet, en particulier pour des mesures in situ, de bonnes qualités de mesures, quel que soit le degré de salissure du liquide analysé: en effet, les ultrasons émis empêchent d'une part, tout développement de micro-organismes et d'autre part, le dépôt de toute salissure au niveau des interfaces optiques. De plus, la micro-cavitation provoquée par les ondes ultrasonores permet d'homogénéiser le milieu liquide en émulsionnant celui-ci quand il est en particulier confiné dans une cellule de mesure: ce phénomène permet de fiabiliser et de simplifier la détection tels que des hydrocarbures résiduels dans les rejets pétroliers; car sinon ceux-ci s'amalgament en certaines parties du liquide, ce qui peut fausser la mesure puisque si cet amalgame passe dans le faisceau optique, la mesure relevée donnera une mesure bien plus élevée que la turbidité moyenne du milieu, et inversement, si cet amalgame est hors du faisceau, la mesure sera beaucoup trop faible et donc, dans tous les cas, non représentative de la turbidité moyenne du liquide. 4 2777354 De plus, les conditions d'installation sont assez simples et adaptables à beaucoup de sites, soit par simple immersion d'une sonde dans le liquide, soit par l'insertion des interfaces optiques et ultrasonores dans la paroi d'une tuyauterie ou dans une mini cuve à émulsion, etc... On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et les figures ci-après représentent un exemple de réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif. D'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention, en particulier: - en changeant la disposition des éléments constitutifs de la sonde immergeable telle que représentée, - en disposant les éléments nécessaires au procédé suivant l'invention, non pas dans une sonde, mais derrière une paroi d'un récipient ou d'une coque ou d'une tuyauterie, etc..., - en utilisant le dispositif ou le procédé pour des mesures de transparence qui ne soient pas uniquement celles de turbidité, - en mesurant non pas la lumière diffusée par un faisceau incident, mais la lumière directement émise par celui-ci après qu'elle ait traversé une distance donnée dans le liquide, soit ainsi après diffusion et absorption partielle dans celui-ci, et en disposant alors la cellule réceptrice et sa pièce optique d'interface en face du faisceau émetteur. La figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif suivant l'invention, comprenant une sonde immergeable dans une cuve. La figure 2 est une vue en coupe simplifiée et agrandie de la sonde immergeable représentée sur la figure 1. Le dispositif de mesure optique de la transparence d'un liquide 2 suivant l'invention comprend un analyseur de turbidité de type connu, comprenant au moins un émetteur 7 de lumière 61 traversant une pièce optique 121 d'interface avec le liquide 2 ainsi éclairé, et au moins une cellule de mesure 9 recevant à travers une deuxième pièce optique 122 d'interface, une partie de ladite lumière 10 ayant parcouru une distance donnée dans ledit liquide 2. 2777354 Suivant l'invention, au moins un générateur d'ultrasons 15 dont le pavillon 13 est disposé à proximité d'au moins une pièce optique d'interface 12 défini ci-dessus, émet des ondes ultrasonores 211 balayant au moins la surface de l'interface 19, 20 de cette pièce, en contact avec ledit liquide 2, et se propageant dans ledit liquide 2, au voisinage de cette surface 19, 20 et dans toutes les directions autour de celle-ci en couvrant au moins lesdites surfaces 19, 20. De préférence, le ou les pièces optiques d'interface 121, 122 est, ou sont solidaires et même intégrées dans le pavillon 13, comme représenté sur les figures jointes, et la surface émettrice 19 et/ou la surface réceptrice 20 est, ou sont situées dans le plan de celle 21 dudit pavillon 13. Dans le cas o l'on veut mesurer la lumière diffusée 8 latéralement par le cône de lumière 62 émis par l'émetteur 7 dans le milieu liquide 2, lesdites pièces optiques 121 et 122 sont disposées suivant un angle ca donné avec leur surface d'émission 19 et de réception 20 dans le même plan: l'angle ax est déterminé tel qu'on capte par la pièce optique 122 d'interface de la cellule de mesure 9, la lumière 8 diffusée à au moins 90 de celle 62 émise dans le liquide 2 à travers la pièce optique 121 d'interface. De préférence, lesdites pièces optiques 12 sont disposées suivant un angle cc, tel que les faisceaux lumineux 61 et 10 qui les traversent, fassent un angle d'au moins 30 , soit en fait de préférence 30, ou 180 , dans le liquide 2 en tenant compte des indices et des coefficients de réfraction entre la matière desdites pièces optiques et le liquide 2. Le faisceau de lumière 61 émettrice, est de préférence de la lumière infrarouge à une longueur d'onde comprise entre 700 et 1200 nanomètres, tel que par exemple de l'ordre de 850 nanomètres, mais pourrait être également de la lumière ultraviolette de longueur d'onde comprise entre 150 et 400 nanomètres, ou même visible de longueur d'onde comprise entre 400 à 700 nanomètres, ledit faisceau 61 étant concentré vers ladite pièce optique 121 par une lentille 111 colimatant la lumière émise par l'émetteur 7. De même, le faisceau de lumière 10 capté à travers la pièce optique d'interface 122 traverse une lentille 112 de convergence pour le concentrer sur la cellule de mesure 9. 6 2777354 Le générateur d'ultrasons 15 comprend d'une manière connue, outre le pavillon 13 d'émission des ondes ultrasonores 211, qui peut être réalisé en titane pour être le plus léger possible, une contre masse arrière 14, de préférence en laiton pour être lourde, et des céramiques piezo- électriques 16 alimentées, par contact avec les électrodes, en courant haute tension 17, générant des vibrations à la fréquence voulue à l'ensemble du générateur 15: celui-ci est fixé, d'une part par une vis de précontrainte maintenant l'ensemble solidaire et, d'autre part par tout dispositif de suspension, tels que des plots élastiques l'isolant des autres éléments constituant le dispositif, tel qu'en particulier, du boîtier 11 étanche de la sonde 1 immergeable dans le liquide 2 et représentée sur les figures jointes à titre d'exemple de réalisation. Ledit boîtier Il comprend en effet au moins l'émetteur de lumière 61, la cellule de mesure 9, leurs pièces optiques 12 d'interface et le générateur d'ultrasons 15: ladite sonde 1 est reliée à tout câble de liaison 3 à un coffret de commande 4 situé en surface, au-dessus de la cuve 22 par exemple, de mesure; ledit boîtier 11 comporte également au moins un boîtier 18 assurant l'interface électrique entre ledit câble de liaison 3 et les trois éléments de base composant ladite sonde, et qui sont l'émetteur de lumière 7, la cellule de mesure 9 et le générateur d'ultrasons 15 intégrant les deux pièces optiques d'interface associées à l'émetteur de lumière et à la cellule de mesure. Le générateur d'ultrasons étant suspendu à l'intérieur du boîtier 11 de la sonde 1, est indépendant des autres éléments électriques, puisque seuls les faisceaux de lumière 61 et 10 traversent son pavillon 13, et le boîtier 11 assure l'étanchéité autour de sa surface émettrice 21 d'ultrasons 211. Dans le cas o le dispositif suivant l'invention ne serait pas installé dans une sonde comportant un boîtier fermé, les éléments de base décrits ci-dessus et composant celle-ci, peuvent être installés simplement dans un boîtier ou derrière une paroi intégrée dans celle isolant le liquide à contrôler, du reste d'une installation par exemple, tel que pour une coque de navire, une paroi d'une tuyauterie ou d'une cuve... De préférence, pour diminuer la surface active pouvant piéger l'air issu des micro cavitations créées et qui implosent ensuite, assurant le 7 2777354 nettoyage de la surface 21 et donc de celle des pièces d'interface, le boîtier 11 de la sonde comporte une partie conique 5 convexe entourant la surface 21 du pavillon 13 d'émission d'ultrasons: lesdites ondes ultrasonores sont de préférence de fréquence de 20 à 50 kHz. Ledit coffret de commande 4 en surface assure, d'une part, le pilotage et l'alimentation du générateur d'ultrasons 15 avant toute mesure optique, l'alimentation de l'émetteur de lumière 7, et le traitement de la mesure optique relevée par le récepteur 9 ayant capté la lumière diffusée latéralement et/ou émise directement dans l'axe du faisceau émetteur, après transmission dans le liquide 2, lequel signal issu du capteur étant de préférence pré-amplifié dans le boîtier d'interface 18 situé dans la sonde 1; le coffret de commande 4 étant alimenté par toute source de courant disponible 41 et comprenant tout dispositif d'affichage du résultat de la mesure 42; il est possible de traiter les mesures et l'émission d'ultrasons pour deux, quatre ou six sondes grâce à des dispositifs à multi-voies par multi-plexage. Le procédé et dispositif de mesure optique de la transparence d'un liquide suivant l'invention, outre son intérêt technique permettant par exemple dans le cadre d'une station d'épuration, d'une part des mesures amont o les eaux sont très chargées et, d'autre part des mesures aval o les eaux sont faiblement chargées, offre un intérêt économique certain. Les plages de mesure de la transparence de la turbidité du liquide 2 peuvent être ajustées en fonction du milieu, soit par exemple de 0 à 100 NTU ou 0 à 5000 NTU pour les eaux très chargées (NTU étant l'abréviation de "Nephelometry Turbidimetry Unit" défini par les normes dans ce domaine), ou 0 à 20 grammes par litre pour des boues. 8 2777354 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure optique de la transparence d'un liquide (2) à partir d'un analyseur de turbidité, comprenant au moins un émetteur (7) de lumière (61) traversant une pièce optique (121) d'interface avec le liquide (2) ainsi éclairé, et au moins une cellule de mesure (9) recevant à travers une deuxième pièce optique (122) d'interface, une partie de ladite lumière (10) ayant parcouru une distance donnée dans ledit liquide (2), caractérisé en ce que: - on génère au voisinage des interfaces optique/liquide émettrices (19) et réceptrices (20), des ondes ultrasonores; - on crée ainsi des microcavités gazeuses dans le liquide (2) et on décape et nettoie lesdites surfaces (19, 20) d'interface quand ces microcavités implosent i5 - on arrête l'émission desdites ondes ultrasonores (211), et on relève la mesure de la lumière (10) reçue par la cellule (9). 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu' on capte par la pièce optique (122) d'interface de la cellule de mesure (9), la lumière (8) diffusée à au moins 30 de celle (62) émise dans le liquide (2) à travers la pièce optique (121) d'interface d'émission. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on génère des ondes ultrasonores à des fréquences de à 50 kHz. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on émet de la lumière (61) infrarouge à une longueur d'onde comprise entre 700 et 1200 nanomètres. 5. Dispositif de mesure optique de la transparence d'un liquide (2) comprenant un analyseur de turbidité, comportant au moins un émetteur (7) de lumière (61) traversant une pièce optique (121) d'interface avec le liquide (2) ainsi éclairé, et au moins une cellule de mesure (9) recevant à travers une deuxième pièce optique (122) d'interface, une partie de ladite lumière (10) ayant parcouru une distance donnée dans ledit liquide (2), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un générateur d'ultrasons (15) dont le pavillon (13) est disposée à proximité d'au moins une pièce optique d'interface (12) et émet des ondes ultrasonores 9 2777354 balayant au moins la surface (19, 20) de cette interface qui est en contact avec ledit liquide (2). 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la pièce optique d'interface (12) est intégré dans le pavillon (13) et sa surface émettrice (19) est située dans le plan de celle (21) dudit pavillon (13). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte une sonde (1) immergeable dans le liquide (2), et dont le boîtier (1,) étanche comprend au moins l'émetteur de lumière (61), la cellule de mesure (9), leur pièce optique associée (12) d'interface et le générateur d'ultrasons (15). 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le générateur d'ultrasons (15) est suspendu à l'intérieur d'un boîtier (11) qui assure l'étanchéité autour de la surface émettrice (21) du pavillon (13) d'émission d'ultrasons. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit boîtier (11) comporte une partie conique (5) convexe, entourant la surface (21) du pavillon (13) d'émission d'ultrasons. 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les pièces optiques (12) sont disposées pour que les faisceaux lumineux qui les traversent fassent un angle d'au moins 30 dans le liquide (2).