Brevet FR2773880A1 — publié le 19990723

La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules, c'est-à-dire permettant de tracer une courbe représentative des variations, en fonction du diamètre des particules du mélange, de la proportion des particules ayant le même diamètre. Par les documents US-A-3 807 864, FR-A-2 300 337, FR-A-2 415 801 et US-A-4 274 741, par exemple, on connaît déjà un dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, par exemple en suspension dans un courant fluide (liquide ou gaz). Un tel dispositif comporte une source laser, dont le faisceau traverse un récipient transparent parcouru par le courant fluide transportant lesdites particules, et un système optique convergent pour former une figure de diffraction et/ou de diffusion (en fonction de la taille desdites particules) des particules éclairées par le faisceau laser. Un ensemble de détecteurs photosensibles, répartis radialement dans le plan focal dudit système optique, engendre des signaux électriques représentatifs de ladite figure de diffraction-diffusion et adressés à un calculateur, traitant lesdits signaux électriques pour déterminer la répartition granulométrique dudit mélange de particules. On sait de plus que, avec un tel dispositif - d'une part, les mesures effectuées dans ledit plan focal sont significatives pour les grosses particules lorsqu'el les sont réalisées au voisinage de l'axe du faisceau laser et pour les fines particules lorsqu'elles sont réalisées loin dudit axe, c'est-à-dire avec des valeurs élevées de l'angle de diffraction et/ou de diffusion ; et - d'autre part, pour un détecteur photosensible de taille et de disposition définies, la taille (le diamètre) des particules susceptibles d'être analysées par ce détecteur photosensible est proportionnelle à la longueur d'onde du faisceau laser utilisé (ou inversement proportionnelle à sa fréquence). Aussi, pour perfectionner ledit dispositif de manière à permettre une analyse aussi bien pour de grosses particules que pour de fines particules, le brevet FR-2 688 308 de la demanderesse préconise d'associer audit dispositif un laser additionnel émettant un faisceau additionnel, incliné par rapport au faisceau de ladite source laser et adressé audit récipient transparent. Ainsi, l'analyse de la diffraction et/ou de la diffusion peut être réalisée sous des angles supplémentaires, puisque ledit faisceau additionnel du laser additionnel présente une incidence différente de celle du faisceau de ladite source laser. Une telle solution connue utilisant au moins deux lasers (dans l'exemple précité, la source laser et le laser additionnel) entraîne toutefois des inconvénients, notamment - de nombreux réglages sont nécessaires, puisque des régla ges de même type doivent être réalisés pour chacun desdits lasers ; et - l'agencement des détecteurs photosensibles, dont les formes et les tailles sont généralement adaptées de façon empirique aux illuminations détectées, doit tenir compte des figures de diffraction-diffusion obtenues à partir des deux lasers. L'objet de la présente invention est de perfectionner le dispositif mentionné ci-dessus, de façon à permettre une analyse de grande finesse de particules de tailles différentes, tout en évitant les inconvénients précités. A cette fin, selon l'invention, le dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, comportant - au moins un générateur de faisceaux lumineux - un récipient transparent, qui est parcouru par ledit mélange de particules et qui est disposé sur le trajet d'un faisceau lumineux émis par ledit générateur ; - un système optique convergent pour former, dans son plan focal, une figure de diffraction-diffusion desdites particules éclairées par ledit faisceau lumineux - un ensemble de détecteurs photosensibles répartis radiale ment dans ledit plan focal du système optique et engen drant des signaux électriques représentatifs de l'intensi té lumineuse détectée ; et - des moyens pour traiter les signaux électriques engendrés par ledit ensemble de détecteurs photosensibles et en déduire ladite répartition granulométrique, est remarquable en ce que ledit générateur de faisceaux lumineux est un générateur de faisceaux monochromatiques à fréquences différentes, susceptible d'émettre au moins deux faisceaux individuels monochromatiques distincts, dont les fréquences respectives sont des multiples l'une de l'autre, et en ce que ledit dispositif comporte des moyens de transmission susceptibles de transmettre de façon distincte, de préférence en alternance, lesdits faisceaux individuels monochromatiques émis par ledit générateur, sur ledit récipient transparent. Ainsi, comme ledit générateur émet au moins deux faisceaux individuels monochromatiques de fréquences différentes, on double au moins la gamme de mesure pour un seul et même agencement dudit dispositif, et notamment desdits détecteurs photosensibles. Bien entendu, lorsque ledit générateur émet trois, quatre, ..., faisceaux individuels monochromatiques, de fréquences différentes, on triple, quadruple, ..., ladite gamme de mesure. De plus, comme pour un tel générateur de faisceaux monochromatiques, de type connu, les fréquences desdits faisceaux individuels monochromatiques sont des multiples exacts l'une de l'autre, le réglage dudit dispositif et notamment la détermination de la taille et de la position des détecteurs photosensibles, optimisés pour l'un desdits faisceaux individuels monochromatiques restent valables et optimisés pour l'autre faisceau individuel monochromatique. Ces avantages n'existent pas lorsque l'on utilise deux lasers différents, puisque - dans le cas où les fréquences des faisceaux émis par ces deux lasers ne sont pas des multiples, le réglage du dispositif optimisé pour l'un des faisceaux ne l'est pas pour l'autre - dans le cas où les fréquences des faisceaux émis par ces deux lasers sont approximativement des multiples, il apparaît des erreurs de mesure différentes dans les deux lasers (dues par exemple à des variations de température) ne permettant pas de recouper précisément lesdites mesu res, à moins d'apparier les deux lasers et de les mainte nir exactement à la même température, ce qui est techni quement difficile et coûteux. Au contraire, dans le dispositif conforme à l'invention, comme on utilise un seul générateur, il existe une homogénéité des erreurs de mesure éventuelles, ce qui permet de réaliser un recoupement exact des mesures effectuées. Dans un premier mode de réalisation, lesdits moyens de transmission sont intégrés dans ledit générateur de faisceaux monochromatiques. En outre, dans un deuxième mode de réalisation, lesdits moyens de transmission comportent un système à filtres susceptible d'amener en alternance lesdits filtres dans le trajet desdits faisceaux individuels monochromatiques émis par ledit générateur, chacun desdits filtres laissant passer l'un desdits faisceaux individuels monochromatiques et bloquant l'autre. De préférence, ledit système à filtres comporte une roue mobile, portant lesdits filtres et susceptible d'être entraînée en rotation par un moteur électrique. Par ailleurs, dans un troisième mode de réalisation, lesdits moyens de transmission comprennent - une première fibre optique, dont l'une des extrémités est reliée à la sortie dudit générateur de faisceaux monochro matiques, pour véhiculer les faisceaux individuels mono chromatiques émis par ce dernier - un coupleur dichroïque, par exemple un multiplexeur à deux voies, relié à l'autre extrémité de ladite première fibre optique et présentant deux sorties auxquelles sont raccor dées respectivement des deuxième et troisième fibres optiques ; et - lesdites deuxième et troisième fibres optiques qui véhi culent, chacune, respectivement l'un desdits faisceaux monochromatiques individuels et l'adressent audit réci pient transparent. Dans ce cas, de façon avantageuse, lesdits faisceaux monochromatiques individuels adressés audit récipient transparent sont inclinés l'un par rapport à l'autre. Ainsi, l'analyse de la figure de diffraction-diffusion peut être réalisée sous des angles différents et supplémentaires. De préférence, le faisceau individuel monochromatique qui présente la fréquence la plus faible est émis selon l'axe optique dudit système optique, et l'autre faisceau individuel monochromatique est émis de façon inclinée par rapport audit axe optique. Ainsi, le premier faisceau précité est adapté à l'analyse de grosses particules (au voisinage de l'axe optique) et le second faisceau est adapté à l'analyse de fines particules. Pour augmenter la collecte d'informations et ainsi la précision et/ou l'étendue des mesures, le dispositif conforme à l'invention comporte, de façon avantageuse, au moins un détecteur photosensible additionnel, non nécessairement disposé dans le plan focal dudit système optique et susceptible de recevoir au moins une partie de la lumière diffractée et/ou diffusée par lesdites particules et non détectée par ledit ensemble de détecteurs photosensibles. Ainsi, on augmente de façon importante la limite supérieure de l'angle d'analyse de la figure de diffraction-diffusion et donc notamment la précision de l'analyse des particules fines. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre schématiquement un dispositif conforme à l'invention, dans un premier mode de réalisation. La figure 2 est le schéma synoptique d'un générateur de faisceaux monochromatiques d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 3 montre schématiquement un dispositif conforme à l'invention, dans un second mode de réalisation. Le dispositif conforme à l'invention et représenté schématiquement sur la figure 1 comporte un générateur laser 1 engendrant un faisceau laser 2A à rayons parallèles, d'axe X-X. Sur le trajet dudit faisceau laser 2A est disposé un récipient transparent 3 en forme de cuve à faces parallèles et pourvu d'un conduit plat 4, par exemple orthogonal à l'axe X-X, à travers lequel circule un mélange de particules. Ces particules peuvent être projetées à sec à travers ledit récipient 3 ou bien être en suspension dans un courant de liquide. Le mélange desdites particules est mis en circulation par des moyens connus non représentés, pour entrer à une extrémité du conduit 4 (flèche E) et en sortir à son autre extrémité (flèche S). En aval du récipient 3 (par rapport au sens de propagation du faisceau laser 2A), le dispositif conforme à l'invention comporte un système optique convergent 5, coaxial à l'axe X-X (qui représente l'axe optique dudit système optique 5), de sorte que son foyer F se trouve sur ce dernier. On notera que dans le cadre de la présente invention, le système optique 5 peut egalement être agencé en amont du récipient 3. Dans le plan focal du système optique 5 est prévu un ensemble 6 de détecteurs photosensibles 7i, dont les zones sensibles 7i représentées schématiquement sont réparties radialement à partir de l'axe X-X. La pluralité des zones sensibles 7i ne sont pas forcément centrées sur le même rayon, mais elles sont situées à des distances radiales différentes les unes des autres. L'intervalle entre les zones sensibles 7i et la surface desdites zones sensibles 7i croissent en fonction de leur distance r à l'axe X-X. Par une liaison 8, l'ensemble 6 de détecteurs photosensibles 7i est relié à un calculateur 9, susceptible de traiter les signaux reçus desdits détecteurs photosensibles 7i et d'émettre à sa sortie 10 des signaux représentatifs de la répartition granulométrique du mélange des particules véhiculées par le courant fluide traversant le conduit 4. De façon connue, ces particules, éclairées par le faisceau 2A, diffractent et/ou diffusent (en fonction de leur taille) de la lumière sous des angles u différents, comme cela est illustré sur la figure 1. Il en résulte dans le plan focal du système optique 5 une figure de diffraction-diffusion de révolution centrée sur l'axe X-X. Selon l'invention, notamment pour augmenter la gamme de mesure du dispositif conforme à 1 invention: - ledit générateur 1 est un générateur de faisceaux mono chromatiques à fréquences différentes, de type connu, représenté schématiquement sur la figure 2 et susceptible d'émettre au moins deux faisceaux individuels monochroma tiques 2A, 2B, dont les fréquences respectives sont des multiples l'une de l'autre ; et - ledit dispositif comporte de plus des moyens de transmis sion réalisés selon deux modes de réalisation différents Ml, M2 qui sont représentés respectivement sur les figures 1 et 3 et susceptibles de transmettre de façon distincte lesdits faisceaux individuels monochromatiques 2A, 2B émis par ledit générateur 1, sur ledit récipient transparent 3. Le générateur 1 de faisceaux monochromatiques comporte, de façon connue, comme représenté sur la figure 2, agencés successivement selon l'axe d'émission X-X dudit générateur 1 - une diode laser de pompage 12 - une optique de collimation 13 - un miroir 14 de fond de cavité - un barreau laser 15 - un cristal multiplicateur 16, doubleur dans le cas de la génération de deux faisceaux monochromatiques 2A et 2B et - un miroir de sortie 17. On sait que la diffraction qui est produite par une particule s'effectue selon les lois de l'optique. Si cette particule présente une taille nettement supérieure à la longueur d'onde X de la lumière émise, l'intensité Iu diffractée dans une direction u dépend uniquement de sa taille. Elle est de la forme 2Jl(kau) Iu = Io ( kau k au Dans cette expression, Io est une intensité de référence et J1 est la fonction de Bessel d'ordre 1, avec comme paramètres - k = 2n/ À - a, le rayon de la particule - u, l'angle de diffraction. On sait, de plus, que le flux trlr2 reçu par un détecteur photosensible 7i de forme annulaire et délimité par des rayons rl et r2 peut s'écrire sous la forme ai=a max trlr2=C z Nai2(J02(kairl)+J12(kairl)-J02(kair2)-J12(kair2)) ai=a min dans laquelle - JO(x) et Jl(x) sont les deux premières fonctions de Bessel - C est une constante - N est le nombre de particules de rayon ai - a max est le rayon maximal des particules ; et - a min est le rayon minimal des particules. Des formules précitées, il apparaît que pour un détecteur photosensible 7i de taille et de disposition définies (l'angle u étant constant), la taille (rayon a) d'une particule analysée par ce détecteur photosensible 7i est proportionnelle à la longueur d'onde À du faisceau laser 2A ou 2B utilisé. Aussi, comme grâce à l'invention on double les faisceaux 2A et 2B émis, on double de même la gamme de mesure pour une seule et même disposition de l'ensemble 6 de détecteurs photosensibles 7i. De plus, comme grâce à l'invention, le rapport entre les longueurs d'onde des faisceaux 2A et 2B est constant, même si la valeur absolue de ces longueurs d'onde est susceptible de varier, il n'existe pas d'erreur de mesure en passant d'un faisceau à l'autre, ce qui permet un recoupement précis des mesures. Selon l'invention, les moyens de transmission M1 représentés schématiquement sur la figure 1 sont réalisés sous forme d'un système à filtres comprenant - une roue mobile 19 susceptible de tourner autour d'un axe Y-Y sensiblement parallèle à l'axe X-X - un moteur électrique 20 susceptible d'entraîner ladite roue mobile 19 en rotation, comme indiqué par une liaison de commande 21 ; et - des filtres 22 et 23, de préférence respectivement de forme semi-annulaire, agencés à la périphérie de ladite roue 19, le filtre 22 laissant passer le faisceau mono chromatique 2A, tel que représenté, et bloquant le fais ceau monochromatique 2B non représenté sur la figure 1 et le filtre 23 laissant passer le faisceau monochromatique 2B et bloquant le faisceau monochromatique 2A. Ledit système à filtres M1 est agencé de sorte que l'un desdits filtres (le filtre 22 sur la figure 1) est toujours disposé dans le trajet d'émission du générateur 1. Comme chacun desdits filtres 22 et 23 présente une forme semi-annulaire, pour une vitesse de rotation constante, chacun desdits filtres 22 et 23 est situé pendant la même durée dans ledit trajet d'émission, ce qui permet d'homogénéiser les mesures et de simplifier leur traitement. Par ailleurs, les moyens de transmission M2 représentés sur la figure 3 comprennent - une fibre optique 25, dont l'une des extrémités est reliée à la sortie dudit générateur 1 de faisceaux monochromati ques, pour véhiculer les faisceaux monochromatiques 2A, 2B émis par ce dernier - un coupleur dichroïque 26 relié à l'autre extrémité de ladite fibre optique 25 et présentant deux sorties aux quelles sont raccordés respectivement des fibres optiques 27 et 28 ; et - lesdites fibres optiques 27 et 28 qui véhiculent, chacune, respectivement l'un desdits faisceaux monochromatiques individuels 2A et 2B et l'adressent audit récipient transparent 3, respectivement par l'intermédiaire d'élé ments de sortie 29 et 30. On notera que les fibres optiques 27 et 28 peuvent par exemple comporter des réseaux gravés, assurant la fonction de réjection de la longueur d'onde à éliminer. De plus, les faisceaux 2A et 2B sont adressés audit récipient 3 selon des angles différents, ce qui permet une analyse de la figure de diffraction-diffusion sous des angles différents et supplémentaires. Plus précisément, le faisceau 2A est émis selon l'axe optique X-X du système optique 5 et le faisceau 2B est incliné d'un angle b par rapport audit axe X-X. Par conséquent, d'après les remarques précédentes - ledit faisceau 2A est approprié à l'analyse des grosses particules ; et - ledit faisceau 2B est approprié à l'analyse des fines particules. Puisque le faisceau monochromatique 2B permet d'accroître la valeur limite supérieure de l'angle d'analyse de diffraction et/ou de diffusion, on prévoit au moins un détecteur photosensible additionnel 32, non nécessairement disposé dans le plan focal du système optique 5 et susceptible de recevoir de la lumière diffractée et/ou diffusée sous des angles c non détectés par l'ensemble 6 de détecteurs photosensibles 7i. Une pluralité de détecteurs 32 (un seul est représenté sur la figure 1) peut être prévue pour couvrir au moins une partie de l'espace non couvert par l'ensemble 6. Par conséquent, les détecteurs photosensibles 32 permettent une analyse plus précise des particules fines du mélange de particules. Bien entendu, une liaison 33 est prévue entre les détecteurs 32 et le calculateur 9, de sorte que, à la sortie 10 du calculateur 9, apparaissent de plus des signaux concernant la répartition de granulométrie de ces particules les plus fines. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la répartition granulométrique d'un mélange de particules en circulation, comportant - au moins un générateur (1) de faisceaux lumineux - un récipient transparent (3), qui est parcouru par ledit mélange de particules et qui est disposé sur le trajet d'un faisceau lumineux (2A, 2B) émis par ledit générateur (1) - un système optique convergent (5) pour former, dans son plan focal, une figure de diffraction-diffusion desdites particules éclairées par ledit faisceau lumineux (2A, 2B) - un ensemble (6) de détecteurs photosensibles (7i) répartis radialement dans ledit plan focal du système optique (5) et engendrant des signaux électriques représentatifs de l'intensité lumineuse détectée ; et - des moyens (9) pour traiter les signaux électriques engendrés par ledit ensemble (6) de détecteurs photosensi bles (7i) et en déduire ladite répartition granulométri que, caractérisé en ce que ledit générateur (1) de faisceaux lumineux est un générateur de faisceaux monochromatiques à fréquences différentes, susceptible d'émettre au moins deux faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) distincts, dont les fréquences respectives sont des multiples l'une de l'autre, et en ce que ledit dispositif comporte des moyens de transmission (M1, M2) susceptibles de transmettre de façon distincte lesdits faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) émis par ledit générateur (1), sur ledit récipient transparent (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission (M1, M2) assurent une transmission en alternance desdits faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) sur ledit récipient transparent (3). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission sont intégrés dans ledit générateur de faisceaux monochromatiques. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission (M1) comportent un système à filtres susceptible d'amener en alternance lesdits filtres (22, 23) dans le trajet desdits faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) émis par ledit générateur (1), chacun desdits filtres (22, 23) laissant passer l'un desdits faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) et bloquant l'autre. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit système à filtres (M1) comporte une roue mobile (19), portant lesdits filtres (22, 23) et susceptible d'être entraînée en rotation par un moteur électrique (20). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission (M1, M2) comprennent - une première fibre optique (25), dont l'une des extrémités est reliée à la sortie dudit générateur (1) de faisceaux monochromatiques, pour véhiculer les faisceaux individuels monochromatiques (2A, 2B) émis par ce dernier - un coupleur dichroïque (26) relié à l'autre extrémité de ladite première fibre optique (25) et présentant deux sorties auxquelles sont raccordées respectivement des deuxième et troisième fibres optiques (27, 28) ; et - lesdites deuxième et troisième fibres optiques (27, 28) qui véhiculent, chacune, respectivement l'un desdits faisceaux monochromatiques individuels (2A, 2B) et l'a dressent audit récipient transparent (3). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit coupleur dichroïque (26) est un multiplexeur à deux voies. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits faisceaux monochromatiques individuels (2A, 2B) adressés audit récipient transparent (3) sont inclinés l'un par rapport à l'autre. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le faisceau individuel monochromatique (2A) qui présente la fréquence la plus faible est émis selon l'axe optique (X-X) dudit système optique (5), et en ce que l'autre faisceau individuel monochromatique (2B) est émis de façon inclinée par rapport audit axe optique (X-X). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un détecteur photosensible additionnel (32), non nécessairement disposé dans le plan focal dudit système optique (5) et susceptible de recevoir au moins une partie de la lumière diffractée et/ou diffusée par lesdites particules et non détectée par ledit ensemble (6) de détecteurs photosensibles (7i).