Brevet FR2882145A1 — publié le 20060818

- 1 - L'invention concerne un dispositif de visualisation et d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide. L'invention se rapporte par ailleurs à une méthode d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide et à l'utilisation de cette méthode pour déterminer la vitesse de déplacement de particules circulant à l'intérieur d'un fluide turbide. Par convention, dans l'ensemble du texte, le terme particule pourra désigner soit une particule discrète, soit un ensemble de particules formant un seul agrégat. Dans le domaine du recyclage des eaux de lavage dans l'industrie minérale ou du traitement des eaux usées en général, il est nécessaire de séparer les particules solides indésirables du liquide à recycler. Cette séparation s'opère généralement par décantation des matières en suspension dans des bassins de grande dimension. Dans ce processus de décantation, les particules, dont la densité est supérieure à l'eau, vont avoir tendance à s'accumuler au fond du décanteur sous l'effet de la pesanteur. Les particules sont ensuite éliminées du fond du bassin périodiquement. L'eau se situant à la surface du décanteur est ainsi progressivement purifiée de ses éléments solides les plus lourds. Néanmoins, les particules fines dont la taille ne dépasse pas 100 microns environ ont une vitesse de sédimentation trop faible ne leur permettant pas d'être traitées directement dans les unités de décantation industrielles. Aussi, il est nécessaire d'utiliser des agents de floculation afin de les agréger sous forme de particules de taille plus importante dits flocs, possédant des vitesses de sédimentation très supérieures. C'est en vue d'obtenir une décantation optimale qu'il est apparu nécessaire de contrôler le phénomène de création de flocs au sein des bassins de décantation. Ce contrôle vise en particulier à déterminer la taille des flocs formés et leur vitesse de chute à l'intérieur desdits bassins. Dans l'art antérieur, les méthodes existantes visant - 2 - à mesurer ces paramètres physiques n'ont pas abouti pour l'instant à des solutions satisfaisantes du point de vue de leur efficacité et de leur fiabilité. Les méthodes les plus couramment utilisées à ce niveau sont en particulier la diffractométrie laser et l'analyse d'image par nappe laser. La diffractométrie laser repose sur l'analyse granulométrique d'un échantillon de la solution prélevée au cours de la floculation. Ce prélèvement entraîne nécessairement une rupture des liaisons au sein des flocs. La détérioration partielle des flocs qui en résulte limite considérablement la fiabilité de cette technique. La technique d'analyse d'image par nappe laser consiste, quant à elle, à faire traverser une cuve de décantation transparente par un plan laser. Les flocs entrant dans ce plan sont alors éclairés et réfléchissent la lumière. Une caméra placée perpendiculairement au plan laser réceptionne le signal lumineux réfléchi par lesdits flocs et transmet l'information correspondante à un moyen d'analyse connecté à la caméra, lequel se charge d'évaluer les paramètres physiques susmentionnés. Même si cette technique paraît convenir pour l'observation de solutions à faibles concentrations de particules, notamment de l'ordre de la dizaine de milligrammes par litre, ce qui restreint son domaine d'application au seul cadre expérimental d'un laboratoire, elle s'avère inadaptée pour une utilisation sur site industriel, nécessitant des concentrations de particules en solution supérieures à la dizaine de grammes par litre. Par ailleurs, les décanteurs industriels étant rarement transparents, la zone d'analyse serait limitée essentiellement à la surface du décanteur ou à sa proche surface. Il n'est donc pas possible avec les techniques précédemment citées de visualiser et d'analyser des flocs de grosses tailles dans des bassins de décantation industriels et à des endroits relativement éloignés de leur surface, notamment à plusieurs dizaines de centimètres de leur surface. La présente invention vise donc à fournir un - 3 - dispositif de visualisation et d'analyse de particules en déplacement dans un fluide turbide, utilisable notamment dans le domaine spécifique du traitement des eaux usées, et ne présentant pas les inconvénients de l'art antérieur susmentionné. A cet égard, et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif de visualisation et d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide, comprenant: - des moyens de capture d'image, - des moyens d'éclairage configurés pour envoyer une lumière d'excitation sur une surface à analyser dudit fluide, lesdits moyens de capture d'image et lesdits moyens d'éclairage étant disposés à l'intérieur d'un conteneur étanche et transparent sur au moins une partie de sa surface périphérique, des moyens de stockage et d'analyse des images capturées par lesdits moyens de capture d'image; ledit dispositif étant remarquable en ce que les moyens d'éclairage sont constitués d'un ensemble de sources lumineuses sensiblement ponctuelles distribuées suivant une conformation annulaire. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre du dispositif de visualisation et d'analyse suivant l'invention, en référence aux dessins sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une variante préférée d'un dispositif de visualisation et d'analyse selon l'invention; la figure 2 est une vue de face d'une source lumineuse utilisable dans le dispositif de visualisation et d'analyse selon l'invention; la figure 3 est une vue de profil de la source lumineuse représentée à la figure 2; la figure 4 est une représentation approximative de la zone d'illumination couverte par la source lumineuse de la figure 2. - 4 - En référence à la figure 1, on a représenté un dispositif de visualisation et d'analyse conforme à l'invention. Ce dispositif comporte pour l'essentiel: un moyen de capture d'image 1, une source lumineuse 2 configurée pour envoyer une lumière d'excitation sur une surface 3 du fluide turbide à analyser, ledit moyen de capture d'image 1 et ladite source lumineuse 2 étant disposés à l'intérieur d'un conteneur 4 étanche et transparent sur au moins une partie de sa surface périphérique, - des moyens de stockage et d'analyse 5 d'images capturées par lesdits moyens de capture d'image 1. Dans une variante préférée de l'invention, le moyen de capture d'image consistera en une caméra 1 comportant un capteur optoélectronique de type CCD ( charged coupled device ), c'est-à-dire un dispositif photosensible à transfert de charges. Ledit capteur consiste en général en une petite pièce rectangulaire de silicium destinée à recevoir une lumière incidente et réalisée de manière à définir un réseau de cellules individuelles sensibles à la lumière appelées photosites . Les photosites à CCD remplissent leur fonction consistant à capter la lumière incidente, en l'occurrence la lumière réfléchie par les particules illuminées par la source lumineuse 2 dans la surface d'analyse 3 du fluide turbide, par l'effet photoélectrique, libérant des électrons lorsqu'ils sont atteints par des photons. Les électrons émis dans le dispositif CCD sont emprisonnés dans des zones non conductrices, de sorte qu'ils sont stockés sous la forme de charge électrique dans la zone d'impact des photons. Cette charge électrique est ensuite récupérée par un circuit électronique simple ou un microprocesseur d'un ordinateur mis en oeuvre au niveau des moyens de stockage et d'analyse 5, lequel se charge d'enregistrer la quantité de charge pour chaque pixel et de traiter les données résultantes en une représentation numérique de l'image. - 5 La caméra 1 pourra de manière avantageuse être de petite taille et être facilement connectées à une entrée d'un ordinateur. A cet effet, une caméra de type dit webcam conviendra parfaitement à l'application envisagée, comme par exemple la caméra ToUcam PRO de chez Philips. Cette caméra 1 sera disposée à l'intérieur d'un boîtier étanche de manière à ce qu'elle soit protégée des projections de fluide pouvant survenir à l'intérieur du conteneur étanche 4. Ce boîtier possédera en particulier un indice d'étanchéité IP établi selon la norme DIN 40050 égal à IP 68. En fonction de la surface 3 à analyser, notamment de la turbidité du fluide au niveau de cette surface 3, celle-ci dépendant notamment du taux et de la grosseur des particules présentes localement dans le fluide, il sera nécessaire de modifier certains paramètres ou réglages au niveau de la caméra 1. En effet, en présence d'un fluide à forte concentration de particules, une visualisation du fluide ne sera possible qu'à quelques millimètres de la paroi externe du conteneur étanche 4. On positionnera ainsi la caméra 1 à une distance suffisante de cette paroi de manière à lui permettre, en fonction de ses caractéristiques de profondeur de champ et de résolution, de visualiser des flocs de grandes dimensions, c'est-à-dire proches de 5 mm, et des flocs de petites dimensions, proches de quelques centaines de microns. Il sera ainsi avantageux de fixer de manière coulissante la caméra 1, enchâssée dans son boîtier étanche, le long d'une support tubulaire 6, ledit support tubulaire 6 permettant par ailleurs la fixation coulissante de la source lumineuse 2. Telle que représentée sur la figure 1, la source lumineuse 2 sera disposée entre la surface 3 à analyser et l'objectif de la caméra 1, selon une configuration dite en éclairage direct. Etant donnée cette position de la source lumineuse 2, un risque existe que son image réfléchie sur les parois vitrées du conteneur 4 soit captée par la caméra 3. Pour s'affranchir de cette réflexion parasite, il sera avantageux d'utiliser un conteneur 4 configuré pour créer - 6 - une image réfléchie de la source lumineuse 2 hors du champ de vision du moyen 1 de capture d'image. A cet effet, ledit conteneur 4 possédera de préférence une forme de cylindre de révolution, le rayon de courbure de la paroi latérale du conteneur 4 étant choisi de manière à créer une image réfléchie de la source lumineuse 2 hors du champ de vision de la caméra 1. Dans cette configuration d'éclairage direct, il a fallu choisir et concevoir une source lumineuse 2 adaptée aux exigences de l'application envisagée. La source lumineuse 2 pourra ainsi posséder les caractéristiques suivantes: une intensité lumineuse suffisante, en particulier dans la zone d'analyse 3, de manière à éviter la mise en place de système optique additionnel permettant de rediriger la lumière émise par la source lumineuse 2 vers l'objectif du moyen de capture d'image 1; une lumière uniforme dans la zone d'analyse 3 de manière à faciliter et à optimiser l'étape 20 d'analyse effectuée en aval; - un encombrement minimum de manière à réduire la taille du dispositif de visualisation dans son ensemble et ainsi minimiser les perturbations sur le fluide à analyser; - un échauffement limité ; - une durée de vie satisfaisante; une qualité de lumière stable dans le temps. Après des recherches poussées et de nombreuses études expérimentales, il s'est avéré qu'il était avantageux d'utiliser comme moyens d'éclairage un ensemble de sources lumineuses sensiblement ponctuelles. Ces sources lumineuses ponctuelles permettent en effet d'obtenir un rayonnement non diffus et concentré en une zone bien spécifique. En combinant astucieusement plusieurs sources lumineuses, il est ainsi possible d'aboutir à un rayonnement intense et homogène à l'intérieur de la zone d'analyse. La demanderesse a par ailleurs constaté que la technique d'éclairage la plus adaptée à ce niveau et répondant à -7 - l'ensemble des critères définis ci-dessus s'avère être la technique d'éclairage par diodes électroluminescentes. Les diodes électroluminescentes sont des composants semi-conducteurs qui émettent un rayonnement monochrome ou polychrome, notamment une lumière blanche, lorsqu'ils sont alimentés par un courant électrique. Les diodes électroluminescentes présentent d'abord l'avantage de satisfaire à plusieurs des critères définis précédemment. Elles se caractérisent notamment par une =Lumière totalement uniforme, une durée de vie relativement longue et un éclairage stable dans le temps. Elles présentent également l'avantage de se présenter sous des formes diverses permettant, en fonction de l'application envisagée, de concentrer le flux lumineux selon une direction précise. Une diode électroluminescente peut notamment être encapsulée dans un boîtier cylindrique à bout arrondi, cylindrique à bout plat ou rectangulaire. Les diodes peuvent elles-mêmes être montées sur un même support de manière à définir un dispositif d'éclairage particulièrement lumineux. La demanderesse a ainsi constaté qu'un montage de diodes sous forme d'un anneau donnait l'illumination la plus adaptée aux besoins de l'invention. Tel que représenté sur la figure 1, cet anneau de diodes 2 sera disposé entre la surface à analyser 3 et les moyens de capture d'image 1, du type caméra CCD notamment, dans une configuration dite en éclairage direct. Cet anneau 2 sera par ailleurs disposé dans l'alignement de la caméra 1, l'objectif de la caméra 1 définissant un axe sensiblement confondu avec celui défini par l'anneau de diodes 2. Dans une variante préférentielle, il sera en outre avantageux de disposer l'objectif de la caméra 1 sensiblement au centre de l'anneau de diodes 2. En référence à la figure 2, il est représenté une forme de réalisation avantageuse d'un anneau 2 de diodes électroluminescentes utilisable en tant que source lumineuse à l'intérieur du dispositif de visualisation selon l'invention. Cet anneau 2 comporte ainsi une série de diodes électroluminescentes 7 réparties uniformément à la - 8 -périphérie de l'anneau 2. En fonction du diamètre de l'anneau 2, le nombre de diodes 7 présentes sur l'anneau 2 pourra être plus ou moins important. De manière générale, il comportera au moins 40 diodes électroluminescentes 7, et, de manière particulière, 40, 60 ou 85 diodes 7. Ces diodes 7 pourront être configurées selon des formes diverses, tel que mentionné précédemment, et, selon la variante représentée, présenter une forme sensiblement rectangulaire. En référence à la figure 3, il sera avantageux de disposer ces diodes 7 de manière à orienter l'axe de leur faisceau de lumière parallèlement à celui de l'anneau 2, ce qui correspond en fait à orienter l'axe de chacune des diodes 7 perpendiculairement à celui défini par l'anneau 2. Néanmoins, toute autre orientation desdites diodes 7 pourra être envisagée sans sortir du cadre de la présente invention. Dans la variante représentée, ces diodes 7 ont, par ailleurs, été disposées de manière à faire converger leurs axes respectifs en un point unique, ledit point étant disposé de préférence le long de l'axe défini par l'anneau 2. De façon à produire un faisceau puissant et présentant une bonne uniformité, il est nécessaire par ailleurs de positionner devant ces diodes 7 une lentille asphérique 8 de haute qualité, laquelle va permettre de mieux concentrer le faisceau de lumière émis par les diodes 7. Chaque diode 7 produira donc au final un faisceau de lumière sensiblement conique, le sommet du cône étant le centre de la diode 7 elle-même et le cône ayant un angle solide d'éclairage a, lequel sera compris entre 20 et 60 . En référence à la figure 4, on a représenté la configuration d'éclairage produite sur une surface à analyser 3 par un anneau de diodes 2 conforme aux figures 2 et 3, le diamètre D de l'anneau 2 étant égal à 40,85 mm, la distance d entre l'anneau 2 et la surface à analyser 3 étant égale à 37 mm et l'angle solide d'éclairage a étant de 60 . On constate que, dans la fenêtre d'analyse 9 rectangulaire de la caméra 1 centrée sur l'axe défini par - 9 - l'anneau 2, l'éclairage est sensiblement homogène et atteint son intensité maximale sensiblement au centre de ladite fenêtre d'analyse 9. Le dispositif de visualisation et d'analyse de la présente invention pourra être utilisé avantageusement pour mesurer la taille ou la vitesse de déplacement de particules dans des bassins de sédimentation, notamment pour analyser des particules possédant une taille supérieure à 0,2 mm. Ces mesures permettront notamment d'évaluer la vitesse de sédimentation à l'intérieur desdits bassins et ainsi faciliteront le contrôle de procédés visant à améliorer cette sédimentation. Ces procédés fonctionnant en général sur le principe d'un ajout d'agents chimiques de floculation à l'intérieur desdits bassins de sédimentation, les mesures effectuées par le dispositif de l'invention pourront notamment aboutir à une régulation de la quantité d'agents de floculation ajoutés. Cette application spécifique constituant un des modes de mise en ouvre préférentiels du dispositif de la présente invention, tout autre application dudit dispositif, pour laquelle l'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide présenterait un intérêt, ne sortirait toutefois pas du cadre de l'invention. L'invention vise également à fournir une méthode d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide, mettant en oeuvre un dispositif de visualisation et d'analyse conforme à l'invention. Cette méthode est basée essentiellement sur le traitement aval des mesures faites par le dispositif de l'invention afin d'évaluer certaines caractéristiques physico-chimiques desdites particules. Ce traitement aval est effectué par les moyens d'analyse mis en oeuvre au niveau du dispositif. Ces moyens d'analyse consistent en des systèmes de traitement numérique d'image, basés sur l'utilisation d'un logiciel de traitement d'image au sein d'une structure d'ordinateur. Au cours de ses recherches, la demanderesse a, dans cet optique, développé un logiciel spécifique de traitement IO 15 - 10 - d'image, permettant notamment la détermination du déplacement des particules observées à partir de deux visualisations successives effectuées par la caméra CCD dans un très court intervalle de temps. Cette technique s'apparente en particulier à la technique dite PIV, ou vélocimétrie par images de particules. On pourra à ce titre se référer utilement aux documents suivants: F.Scarano, Iterative image deformation methods in PIV, Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology, Kluyverweg, Measurement science and technology, publié en 2002. W.Weng, G.Liao, W.Fan, An improved crosscorrelation method for (digital) particle image velocimetry, University of Science and Technology of China. J.Westerweel, Digital Particle Image Velocimetry, Delft University Press, publié en 1993. L'Homme du métier aura ainsi toute possibilité de se référer à ce niveau aux documents mentionnés précédemment. La méthode d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide comportera donc les étapes essentielles suivantes: introduction à l'intérieur du fluide turbide du conteneur 4 étanche et transparent du dispositif de visualisation et d'analyse conforme à l'invention; illumination par la source lumineuse 2 du dispositif de visualisation et d'analyse conforme à l'invention de la surface 3 dudit fluide comportant la ou les particules à analyser; enregistrement par les moyens de capture d'image 1 du dispositif de visualisation et d'analyse conforme à la présente invention du signal lumineux réfléchi par la ou lesdites particules; stockage et analyse par les moyens de stockage et d'analyse 5 du dispositif de visualisation et d'analyse conforme à la présente invention dudit signal lumineux. Tel que vu précédemment, l'étape d'analyse du signal 30 35 - 11 -lumineux consistera en particulier à évaluer le déplacement des particules à analyser entre deux illuminations successives, ladite évaluation étant effectuée par les moyens de stockage et d'analyse 5 à partir des informations enregistrées par les moyens de capture d'image 1 entre ces deux illuminations. Dans l'application spécifique visée par l'invention, cette méthode d'analyse pourra, de ce fait, être utilisée pour déterminer la vitesse de déplacement de particules dans un bac ou un bassin contenant un fluide turbide, à l'intérieur duquel circulent lesdites particules et ainsi permettre une meilleure régulation de la quantité d'agents de floculation ajoutés au cours d'un processus global de traitement visant à accélérer la décantation desdites particules dans ledit bac ou bassin. Enfin, il va de soi que les exemples de réalisation qui viennent d'être présentés ne sont nullement limitatifs et d'autres modifications ou ajouts pourront être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. - 12 - REVENDICATIONS 1 - Dispositif de visualisation et d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide, comprenant des moyens de capture d'image (1), des moyens d'éclairage (2) configurés pour envoyer une lumière d'excitation sur une surface à analyser (3) dudit fluide, lesdits moyens de capture d'image (1) et lesdits moyens d'éclairage (2) étant disposés à l'intérieur d'un conteneur (4) étanche et transparent sur au moins une partie de sa surface périphérique, des moyens de stockage et d'analyse (5) des images capturées par lesdits moyens de capture d'image (1), caractérisé en ce que les moyens d'éclairage (2) sont constitués d'un ensemble de sources lumineuses ponctuelles distribuées suivant une conformation annulaire. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sources lumineuses sont constituées de diodes 20 électroluminescentes (7). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau (2) de diodes électroluminescentes (7) est disposé entre la surface à analyser (3) et le moyen de capture d'image (1). 4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le moyen. de capture d'image (1) est disposé le long de l'axe défini par l'anneau (2) de diodes électroluminescentes (7). - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de capture d'image (1) est disposé sensiblement au centre de l'anneau (2) de diodes électroluminescentes (7). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de capture d'image (1) est une caméra comportant un capteur de type CCD. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des 35 - 13 -revendications précédentes, caractérisé en ce que le conteneur (4) est configuré pour créer une image réfléchie de l'anneau (2) de diodes électroluminescentes (7) hors du champ de vision du moyen de capture d'image (1). 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les diodes électroluminescentes (7) sont réparties uniformément le long de la périphérie de l'anneau (2), leur axe étant disposé perpendiculairement à celui de l'anneau (2), tous les axes desdites diodes électroluminescentes (7) convergeant en un point unique disposé le long de l'axe défini par l'anneau (2). 9 - Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les diodes électroluminescentes (7) possèdent un angle solide d'éclairage compris entre 20 et 60 , de préférence sensiblement égal à 60 . - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que l'anneau (2) comporte au moins 40 diodes électroluminescentes (7), et, de préférence, exactement 40 diodes électroluminescentes (7). 11 - Méthode d'analyse in-situ de particules en déplacement dans un fluide turbide, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes: introduction à l'intérieur du fluide turbide du conteneur (4) étanche et transparent du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, illumination par la source de lumière (2) du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 de la surface (3) dudit fluide comportant la ou les particules à analyser, enregistrement par le moyen de capture d'image (1) du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 du signal lumineux réfléchi par la ou lesdites particules, stockage et analyse par les moyens de stockage et d'analyse (5) du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dudit signal lumineux. - 14 - 12 - Méthode selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'étape d'analyse du signal lumineux consiste à évaluer le déplacement des particules à analyser entre deux illuminations successives. 13 - Utilisation de la méthode selon l'une quelconque des revendications 11 et 12 pour déterminer la vitesse de déplacement de particules circulant à l'intérieur d'un fluide turbide. l0