Brevet FR2888324A1 — publié le 20070112

Dispositif pour déterminer l'indice de réfraction d'un mélange [000li La présente invention concerne l'identification des caractéristiques de bases d'un carburant automobile, en particulier un dispositif pour déterminer l'indice de réfraction d'un mélange particulièrement adapté à la détermination de la concentration en biocarburant et en produits d'origine pétrolière et le réglage automatique de certains paramètres moteurs en fonction de l'identification de ces caractéristiques. 2] De nos jours, les automobilistes ont souvent le choix entre plusieurs carburants, notamment entre des essences d'origine pétrolière, essentiellement à base d'hydrocarbures ou des biocarburants qui contiennent des proportions plus ou moins grandes d'alcool. De même des diesters peuvent être substitués à des carburants du type diesel. Dans la suite de ce document, nous qualifierons de produits pétroliers un carburant essentiellement obtenu par raffinage d'un hydrocarbure naturel ou synthétique, à l'exemple des carburants traditionnels comme les essences, essences sans plomb et diesel, enrichis éventuellement de certains additifs comme il est bien connu de l'homme de l'art, et de biocarburants, des produits le plus souvent issus de l'agriculture et à base d'alcool (méthanol ou éthanol par exemple) ou de diesters. 3] L'utilisation exclusive d'un biocarburant pour l'alimentation du moteur d'un véhicule automobile est possible mais n'est généralement pas recommandée compte tenu d'une certaine dégradation des performances. Tel est le cas notamment du démarrage à froid; lorsque la température extérieure est inférieure à environ 5 C. Ceci explique notamment que dans nombre de pays, seuls des mélanges à teneur limitée en biocarburants sont commercialisés. [0004 Dans les pays où les biocarburants sont disponibles purs , souvent à des tarifs particulièrement attractifs, les automobilistes optent souvent pour des stratégies individuelles, choisissant par exemple de remplir environ un tiers du réservoir avec du biocarburant et les deux tiers restant avec des produits pétroliers, et en cherchant ce qu'ils considèrent comme le meilleur compromis prix/performances compte tenu du parcours prévu. 5] A l'évidence, ce type de comportement ne permet pas de régler au mieux les véhicules. Or, en ajustant certains paramètres du moteur tels que notamment la quantité de carburant injecté à chaque temps moteur et/ou le retard à l'allumage, il est possible d'optimiser les performances du véhicule en fonction du carburant effectivement utilisé. Comme une intervention d'un mécanicien après chaque passage à une station service est hors de question, la plupart des véhicules sont au mieux réglés en fonction du mélange de carburant habituellement utilisé par le conducteur. 6] Depuis quelques temps, certains constructeurs proposent un autoréglage du moteur asservi à un capteur placé dans le système d'échappement. A l'évidence, ce système suppose que le moteur a pu démarrer et n'est donc pas une solution pour le démarrage à froid. Par ailleurs, par définition ce système ne peut que corriger après coup un mauvais réglage. 7] Sur les véhicules modernes, munis de moyens de réglage pilotés par une électronique de bord, comme par exemple un calculateur de bord, il serait possible de commander ce réglage automatiquement à partir d'une information sur la nature du carburant effectivement utilisé. 8] Pour une véritable automaticité de ce réglage, il est également souhaitable que le système soit effectivement en mesure de déterminer luimême la nature du carburant disponible dans le réservoir du véhicule ce qui exclut tout procédé impliquant par exemple une saisie par le conducteur de l'information de base et/ou l'association avec un dispositif de mesure qui pourrait être disponible par exemple dans les stations services et qui pourrait être interfacé avec le boîtier électronique du véhicule. 9] Tout matériau, quel que soit son état gazeux, liquide ou solide, peut être caractérisé par sa constante diélectrique. La constante diélectrique varie avec la pression, la température et dans le cas d'un mélange avec la concentration relative de chacun de ses constituants. Une mesure précise de la constante diélectrique d'une solution dont les constituants sont connus permet bien souvent d'en déduire sa composition exacte. 0] Un moyen simple de détermination de la constante diélectrique d'un fluide consiste dans la mesure de la valeur de la capacité formée par deux électrodes séparées par une épaisseur connue du fluide testé. D'une mise en oeuvre très aisée dans un laboratoire, cette méthode nécessiterait un aménagement important du véhicule et/ou la mise en place d'un circuit de dérivation pour effectuer le prélèvement du fluide. 1] Une autre approche bien connue est basée sur une méthode optique. En effet, la constante diélectrique est une grandeur caractéristique de la réponse d'un matériau à un champ électrique. La lumière étant une onde électromagnétique, sa propagation à travers un matériau est affectée par la valeur de la constante électrique dudit matériau. L'indice de réfraction d'un fluide est donc une mesure indirecte de la constante diélectrique. Par ailleurs, dans le cas d'un mélange, l'indice de réfraction du mélange à une valeur intermédiaire entre celles des indices de réfraction des constituants individuels du mélange, pondérée par les fractions (volumiques, massiques) desdits constituants. Dans le cas d'un mélange biocarburant/hydrocarbure, le problème est simplifié dans la mesure où la nature des constituants du mélange et donc leurs indices de réfraction respectifs est connue. 2] Il a été proposé d'appliquer cette approche optique pour déterminer la composition d'un mélange alcool/fuel dans un véhicule automobile. La publication de brevet européen 0 441 056 au nom de Ford Motor Company Ltd décrit ainsi un dispositif selon lequel le fluide testé circule dans un volume de forme hémisphérique qui redirige la lumière provenant d'une source lumineuse vers un détecteur. La quantité de lumière reçue par le détecteur dépend de l'indice de réfraction du fluide, de sorte qu'on peut en déduire la composition du fluide emprisonnée dans l'hémisphère. Un tel système est très complexe à mettre en oeuvre. 3] Selon le brevet US 5 015 091 au nom de Mitsubishi Denki K.K, la concentration en éthanol d'un carburant est déterminée à l'aide d'un prisme empli du fluide testé. La déviation du faisceau lumineux varie en fonction de l'indice de réfraction du fluide. Ce système est sensible aux contraintes mécaniques et là encore, nécessite une modification du circuit de carburant pour y inclure un accès optique prismatique. 4] Il serait donc souhaitable de développer un système plus simple, ne nécessitant pas d'aménagement particulier du véhicule et relativement robuste. 5] Conformément à un premier aspect de l'invention, ce but est atteint par un dispositif pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide comportant une source émettant un faisceau lumineux, une fibre optique guidant le faisceau lumineux entre ladite source et ledit fluide et dans la direction inverse pour le rayon réfléchi, un système de séparation du faisceau lumineux et un détecteur du rayon réfléchi, ledit système de séparation étant une jonction Y. [0016] Dans une variante plus particulièrement préférée, la fibre optique est dopée de manière telle que son indice de réfraction soit en dehors de la plage d'indice de réfraction susceptible de représentée le fluide. 7] L'étape d'analyse du faisceau lumineux réfléchi est effectuée de préférence au moyen d'un détecteur après séparation du faisceau réfléchi. 8] Dans une variante préférée de l'invention, l'extrémité du guide d'onde plongée dans le mélange est directement placée dans le réservoir d'un véhicule motorisé et l'évaluation de la concentration est prise en compte pour ajuster au moins un paramètre de fonctionnement du moteur. 9] L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se referant aux dessins annexes, parmi lesquels: [0020] la figure 1 est un schéma de principe de la propagation d'une onde plane non polarisée entre deux milieux d'indice n, et n2; [0021] La figure 2 est un schéma illustrant un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; [0022] La figure 3 est un schéma de principe montrant les trajets des faisceaux lumineux à l'interface guide d'onde- mélange; [0023] La figure 4 est un schéma illustrant une jonction en Y selon l'invention; et [0024] La figure 5 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'invention. 5] Comme il ressort de manière bien connue des relations constitutives dans le cadre de la théorie générale de l'électromagnétisme de Maxwell, l'information optique sur la constante diélectrique si du matériau i est contenu dans l'indice de réfraction n. du milieu qui dans le cas d'un isolant non magnétique est donné par: [0026] Pour mesurer optiquement l'indice de réfraction plusieurs stratégies peuvent être employées. Si, comme illustré figure 1, on appelle n2 l'indice du milieu que l'on cherche à mesurer et n, l'indice du milieu de référence, conformément à la loi de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière, pour une onde non polarisée, le produit de l'indice de réfraction n, par le sinus de l'angle d'incidence i d'un rayon dans un premier milieu est égal au produit de l'indice de réfraction par le sinus de l'angle de réfraction t d'un second milieu, ou encore: n1 sin i = n2 sin t [0027] Des relations équivalentes peuvent être écrites dans le cas des ondes non planes et/ou polarisées. 8] Si on mesure l'intensité des faisceaux réfléchi ou réfracté à l'interface du milieu dont on cherche à mesurer l'indice, et si on note n le rapport des indices n, et n2 (n = n), les coefficients de réflexion R et de transmission T en incidence normale nl pour une onde non polarisée sont donnés par: R= /n 12 + 4n T _ (n + 1)2 [0029] De ces équations, on en déduit que la forme de la courbe donnant le coefficient de réflexion à l'incidence normale en fonction de l'indice de réfraction n2 à déterminer est une parabole. Le maximum de sensibilité est obtenu lorsque les indices n, et n2 sont très différents. 0] Différents systèmes ont été proposés qui utilisent la déviation du faisceau réfracté, proportionnelle à l'indice de réfraction, pour mesure cet indice de réfraction. Ces systèmes nécessitent un accès optique au liquide dont on veut connaître les caractéristiques ainsi qu'un alignement précis et sont, de par leur conception, sensibles aux chocs et vibrations ce qui est pénalisant dans une application automobile. 1] Tel n'est pas le cas de la présente invention qui permet de mesurer l'indice de réfraction d'un fluide automobile pour en déduire ses caractéristiques physiques de façon non intrusive, sans avoir à modifier le réservoir. La technique proposée dans l'invention, surtout dans ses variantes préférées est peu encombrante, robuste et facilement industrialisable, pouvant être notamment basée sur des technologies semiconducteur bien connues dans le monde des télécommunications. Elle est très facilement intégrable dans un véhicule, sans nécessiter de modification de ce dernier. 2] Le principe du réfractomètre selon l'invention est décrit en relation avec la figure 2 qui illustre une première variante de l'invention essentiellement constituée par une source lumineuse 1, un guide d'onde 2 dont une extrémité est plongée dans le fluide mesuré 3 placé dans une enceinte 4. Cette enceinte peut être par exemple constituée par les parois du réservoir du véhicule, avec une fibre optique ayant par exemple un diamètre extérieur (gaine comprise) de l'ordre de 1 à 5 mm, baignant dans ce réservoir. 3] Bien que ces moyens ne soient pas représentés, l'extrémité de la fibre baignant plongée dans le réservoir peut être fixée au fond du réservoir (de préférence de façon relativement souple pour amortir les chocs) ou asservie à un flotteur si on préfère éviter de tester le fond du réservoir où des impuretés peuvent éventuellement s'accumuler. 4] La source lumineuse 1 utilisée est par exemple une diode électroluminescente (LED), choisie de manière préférée en raison de son coût. Les diodes électroluminescentes commercialisées peuvent émettre une lumière blanche ou une lumière colorée. 5] Pour autant, il est aussi possible d'utiliser un laser ou tout autre source pouvant être injectée dans un guide d'onde, notamment une fibre optique sans trop de pertes. Le phénomène étudié étant non résonant, la longueur d'onde n'a que peu d'importance mais doit se situer hors des plages d'absorption du liquide dont on veut mesurer l'indice et si possible, dans un domaine spectral où des détecteurs sensibles et de faible coût sont disponibles. L'émission de lumière peut se faire de façon continue ou par impulsions. Cette dernière méthode est préférée car elle permet de synchroniser la détection du faisceau réfléchi avec son émission, et par la même, de filtrer de façon simple un éventuel bruit de fond. Par ailleurs, certaines sources lumineuses ont une puissance maximale d'émission en régime impulsionnel, qui peut être par exemple dix fois plus grande que la puissance d'émission en continu. Utiliser un mode par impulsion permet ainsi d'utiliser une source peu coûteuse, mais néanmoins puissante améliorant ainsi la qualité de la mesure. 6] Le guide d'onde est de préférence une fibre optique, c'est-à-dire un moyen bien adapté dans un environnement soumis à de multiples sources de vibrations comme une automobile. 7] Dans le dispositif selon l'invention, l'indice de réfraction du guide d'onde correspond à l'un des deux indices n, et n2, le second étant l'indice du mélange. Pour simplifier l'interprétation de la mesure, il est préférable que l'indice de réfraction du guide d'onde soit en dehors de l'intervalle correspondant à un mélange à 100% produit pétrolier d'une part et 100% de biocarburant d'autre part. 8] Le tableau ci-après donne l'indice de réfraction de quelques éléments courants Eau 1,33 Ethanol 1,36 Méthanol 1,33 Diesel 1,46 Isooctane 1,39 Diester* 1,47 - 1,53 Essence 1,42 * selon le type de végétaux utilisés [0039] Il peut être noté que les valeurs données sont simplement indicatives, et qu'en particulier d'un pays à l'autre, les carburants n'ont pas toujours les mêmes caractéristiques (et peuvent avoir une qualité variable au cours du temps ou d'une partie du territoire à un autre). Un guide d'onde ayant un indice de réfraction inférieur à 1,33 ou supérieur à 1,53 est donc préféré. 0] Selon une autre variante de l'invention plus particulièrement préféré, l'indice du guide d'onde peut être choisi identique (ou du moins très proche) de l'indice d'un des composants du mélange. Autrement dit, le dispositif sera transparent lorsque le mélange est constitué à 100% de ce composé particulier. Dans ces conditions, la réponse du détecteur sera essentiellement linéaire, le mélange réfléchissant d'autant plus de lumière qu'il contient plus du composé dont l'indice de réfraction est autre. On optera ainsi par exemple pour un guide d'onde ayant un indice de réfraction voisin de 1,42 ou de 1,46 selon que le véhicule est un véhicule essence ou diesel. 1] A noter que si le guide d'onde est constitué par une fibre optique, il est aisé d'obtenir un ajustement de cet indice de réfraction, par exemple par dopage ou en choisissant de façon idoine le rapport entre les diamètres intérieur (coeur) et extérieur (gaine) de la fibre, toute technique bien connue de l'industrie des fibres optiques. 2] Il est aussi possible de choisir un guide d'onde dit multi mode, autrement dit transmettant des faisceaux lumineux non unidirectionnels. L'invention peut ainsi être mise en oeuvre en choisissant une fibre optique avec un coeur relativement épais , généralement considérée comme de qualité inférieure notamment par rapport aux applications dans la télécommunication, et surtout, la faisceau lumineux n'a pas besoin d'être très fin et précis, comme ce serait le cas notamment avec une source relativement onéreuse tel qu'une source de rayon laser. 3] Le principe de la mesure reposant sur la détection du faisceau réfléchi, il va de soi que le guide d'onde doit être tel que le faisceau réfléchi peut être effectivement renvoyé. Ceci écarte les fibres optiques ayant une extrémité taillée en biseau notamment en vue de minimiser les réflexions, alors que les guides d'onde présentant une face clivée, perpendiculaire à la direction générale du faisceau lumineux sont préférées. Figure 3 sont représentés les trajets des faisceaux lumineux à l'interface du guide d'onde et du mélange. Sur cette figure, lo désigne l'intensité du faisceau émis par la source lumineuse en direction du mélange d'indice de réfraction n2, IT, la part du faisceau lumineux transmis, IR la partie réflléchie et n, l'indice de réfraction de la fibre optique. 4] Le système représenté à la figure 2 comporte de plus un système de séparation 5 pour accéder au faisceau réfléchi. Selon l'invention, ce séparateur est une jonction de fibres optiques comportant au moins 3 branches, comme une jonction en Y, l'injection se faisant de préférence par une des deux branches, comme illustré figure 4. 5] Dans le cas d'une jonction Y, considérée comme deux branches fusionnant en une branche, le faisceau lumineux est introduit par une des deux branches initiales, rejoint la branche commune, est reflété et le faisceau réfléchi est détecté dans la seconde branche. Ceci est illustré figure 3, dans laquelle E correspond à la source lumineuse émettrice, D au détecteur et R au milieu réfléchissant. Avantageusement, cette jonction Y sera telle que la plus grande partie, par exemple de l'ordre de 99%, du faisceau réfléchi est dirigée vers le détecteur et seule la partie résiduelle continue en direction de la source lumineuse. 6] Une jonction en X est également possible, avec par rapport au cas précédent une branche supplémentaire munie d'un second détecteur servant de donnée de référence, ou une jonction à 5 branches, à l'exemple d'un couple 6DB, 3 des branches étant dédiées à la détection. 7] En revenant sur la variante de l'invention illustrée figure 2, on note que le dispositif comporte un détecteur 6 permettant de mesurer l'intensité du faisceau réfléchi Ce détecteur est par exemple du type photodiode, joulemètre etc. Le détecteur est associé à une électronique de mesure et de commande, ici non représenté. Un dispositif du même type pourra être utilisé pour le détecteur optionnel 7, utilisé pour mesurer une intensité de référence ou pour détecter une panne du système d'éclairage. 8] Un mode de fonctionnement de l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 5, dans laquelle les éléments communs avec la figure 2 portent les mêmes références. La lumière est injectée dans l'un des bras 10 du coupleur 5, ici un coupleur en Y. La lumière traverse le coupleur et est guidée dans la branche 11 jusqu'à l'extrémité sonde immergée dans le liquide dont on cherche à mesurer l'indice de réfraction. A l'interface entre la fibre et le liquide, la lumière est réfléchie vers l'intérieur de la fibre. L'intensité du faisceau réfléchi dépend du l'indice du liquide dans lequel la fibre est plongée. Le faisceau réfléchi est guidé par la fibre et une partie ressort par la branche 12 du coupleur 5 pour y être évalué par un détecteur. A partir de cette mesure on peut en déduire l'indice de réfraction du liquide. Un coupleur en X peut aussi être utilisé pour mesurer simultanément une intensité de référence avec un autre détecteur. 9] Connaissant l'ensemble des paramètres du mélange sauf celui que l'on veut mesurer (les concentrations relatives par exemple dans le cas d'un mélange de biocarburant et de produit pétrolier à température et espèce chimique donnée), si un seul paramètre évolue, une simple bijection permet d'accéder à l'information recherchée à partir de la mesure de l'intensité réfléchie et donc de l'indice de réfraction. 0] Si plus d'informations sont nécessaires, une extension de l'invention tirant avantage de la dispersion chromatique dans le liquide peut être utilisée. Tout matériau possède un indice de réfraction qui varie en fonction de la longueur d'onde. Cette variation est très forte au voisinage de résonances d'absorption qui sont caractéristiques des constituants du mélange. Cependant, même à des longueurs d'onde éloignées de ces résonances leurs influences sont sensibles. 1] En utilisant une mesure résolue spectralement, on peut donc caractériser plus finement le liquide sondé. Ce diagnostic peut être effectué facilement en modifiant légèrement l'invention décrite précédemment. 2] On peut par exemple, tout simplement multiplexer plusieurs réfractomètres en s'assurant que chaque émetteur fonctionne à une longueur d'onde différente. En reconstituant la courbe de dispersion chromatique du liquide on a ainsi une information supplémentaire pour l'analyser. Un moyen simple consiste par exemple à utiliser un ensemble de diodes électroluminescentes colorées, avec un mécanisme de type barillet pour sélectionner la diode de la couleur voulue. Les diodes électroluminescentes commercialisées peuvent émettre une lumière blanche ou une lumière colorée que nous considérerons comme monochromatique , même si en pratique, les diodes émettent sur un spectre de longueur d'onde, mais relativement étroits dans le cas des diodes colorés. A noter qu'il est aussi possible d'utiliser des diodes qui émettent dans une gamme de couleur variant en fonction de la tension appliquée, dans ces conditions, une seule diode peut être utilisée en lui associant un moyen d'appliquer une tension variable. 3] Dans une autre variante de l'invention, la source lumineuse est choisie telle qu'elle émet dans une large gamme spectrale (là encore les diodes électroluminescentes constituent une solution commerciale de mise en oeuvre relativement simple) associée à un ensemble de détecteurs placés en aval d'un filtre interférentiel. On pourra utiliser par exemple un coupleur 6DB, c'est-à-dire un coupleur qui décompose le signal réfléchi en 4 signaux portés par les 4 branches qui reçoivent chacune 'A de l'intensité réfléchie. L'une des branches étant utilisée pour la source, on va pouvoir équiper chacune des 3 autres branches avec un filtre interférentiel de façon à détecter le rayon réfléchi dans une longueur d'onde donnée. Les filtres interférentiels seront de préférence de type réseau de Bragg, qui ont l'avantage de pouvoir faire partie intégrante de la fibre, et donc constituent des systèmes robustes. 4] Les différentes variantes décrites précédemment peuvent bien entendu être combinées si besoin est. 5] De la description faite ci-dessus, l'homme de l'art ne manquera pas de noter que le procédé selon l'invention est mis en oeuvre essentiellement via une simple fibre optique de 1 à 2 millimètres de diamètre, plongée dans le mélange à étudier. La conception ne nécessite aucun alignement et est très robuste mécaniquement. Toute la partie électronique de traitement du signal peut être éventuellement (mais non obligatoirement) réalisée en technologie semi-conducteur et fibre optique, c'est à dire en utilisant des technologies à faible coût, très largement maîtrisées et pouvant être facilement fabriquées à grande échelle. Revendications 1. Dispositif pour déterminer l'indice de réfraction d'un fluide comportant une source émettant un faisceau lumineux, une fibre optique guidant le faisceau lumineux entre ladite source et ledit fluide et dans la direction inverse pour le rayon réfléchi, un système de séparation du faisceau lumineux et un détecteur du rayon réfléchi, caractérisé en ce que ledit système de séparation est une jonction de fibres optiques comportant au moins 3 branches. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jonction est une jonction en Y. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la jonction en Y est telle que la majorité du faisceau réfléchi est dirigé vers la branche du détecteur. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique est dopée de manière telle que son indice de réfraction soit en dehors de la plage d'indice de réfraction susceptible de représenter le fluide. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédente dans lequel la fibre optique a un rapport de diamètre du coeur et de la gaine tel que son indice de réfraction soit en dehors de la plage d'indice de réfraction susceptible de représentée le fluide 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique est multi mode. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique est mono mode. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité de la fibre optique en contact avec le fluide présente une face clivée. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source lumineuse est une source laser. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode électroluminescente.