Brevet FR2962805A1 — publié le 20120120

Sonde optique de mesure d'absorption à plusieurs longueurs d'onde La présente invention concerne une sonde optique de mesure d'absorption à plusieurs longueurs d'onde. Le domaine de l'invention est celui de l'analyse par spectrométrie optique 5 d'absorption d'un milieu fluide, gaz ou liquide. Une telle analyse est pratiquée au moyen d'une sonde optique qui comporte une cellule d'analyse pourvue d'un module d'émission et d'un module de détection. Le module d'émission comprend une source lumineuse disposée derrière une fenêtre de diffusion figurant sur le corps de ce module d'émission. 10 Eventuellement, un filtre est disposé entre la source et la fenêtre (analyse monochromatique ou quasi-monochromatique). Le module de détection comprend un détecteur disposé derrière un hublot figurant sur le corps de ce module de détection. Eventuellement, un filtre est disposé entre le hublot et le détecteur. Le milieu à analyser se trouve entre le module d'émission et le module 15 de détection. e manière connue, l'analyse se pratique en deux temps. Dans un premier temps, la calibration consiste à effectuer une mesure d'absorption sur un milieu de référence. Dans un deuxième temps, la mesure proprement dite consiste à effectuer la même opération sur le milieu critique à analyser. 20 L'absorption du milieu critique est pondérée par celle du milieu de référence. Il s'avère que le module d'émission est soumis à de nombreuses dérives qui ne cessent de croître pendant sa durée de vie. On mentionnera notamment : variation de température du milieu critique, variation de puissance de la source d'émission, 25 variation du profil angulaire du faisceau émis par cette source, variation du spectre d'émission, apparition et accroissement d'un bruit lumineux. Ces dérives que l'on ne peut maîtriser interviennent souvent de manière aléatoire. II n'est pas possible d'estimer le moment où elles deviennent 30 suffisamment importantes pour perturber l'analyse. Or chacune de ces dérives nécessite une nouvelle calibration pour disposer de mesures faites dans les mêmes conditions sur le milieu de référence et sur le milieu critique. Les calibrations doivent donc être répétées périodiquement et il va sans dire qu'il s'agit là d'une sérieuse contrainte. 35 Ainsi le document FR 2 939 894 propose une sonde optique de mesure d'absorption qui comporte une première cellule ou cellule d'analyse, cette e première cellule comprenant un module d'émission et un module de détection apte à produire un signal de détection. Cette sonde optique comporte aussi une deuxième cellule ou cellule de monitoring apte à produire un signal de monitoring, cette cellule de monitoring étant agencée sur le chemin optique reliant le module d'émission au module de détection. Lorsqu'il s'agit de pratiquer l'analyse sur une seule longueur d'onde, cette sonde est satisfaisante. Par contre, lorsqu'il convient d'analyser plusieurs longueurs d'onde, il faut prévoir une sonde pour chaque longueur d'onde. La présente invention a ainsi pour objet une sonde optique qui permet de mesurer l'absorption à plusieurs longueurs d'onde au moyen de deux cellules. Selon l'invention, une sonde optique comporte une première cellule qui comprend un premier module d'émission et un premier module de détection apte à produire un premier signal de détection, cette sonde comporte aussi une deuxième cellule qui comprend un deuxième module de détection apte à produire un premier signal de monitoring du premier module d'émission 9 de plus, la deuxième cellule comprenant un deuxième module d'émission, le deuxième module de détection est apte à produire un deuxième signal de détection, et le premier module de détection est apte à produire un deuxième signal de monitoring du deuxième module d'émission. Couramment, les cellules se présentent chacune sous la forme d'un corps étanche présentant une face active. Avantageusement, les cellules sont agencées chacune derrière un hublot figurant sur sa face active. Suivant une caractéristique additionnelle, chaque module de détection 25 est placé derrière une plaque partiellement réfléchissante qui jouxte le hublot correspondant. De préférence, les détecteurs sont identiques. Par ailleurs, les cellules étant reliées par un moyen de liaison, les faces actives de ces cellules sont en vis-è-vis. 30 De plus, la sonde comporte un circuit de contrôle pour produire un premier signal de mesure Qml par pondération du premier signal de détection au moyen du premier signal de monitoring. Par exemple, le premier signal de mesure Qm vaut le rapport du signal de détection au signal de monitoring. 35 Avantageusement, le circuit de contrôle ayant en mémoire les valeurs suivantes une mesure de référence (Dr, une absorption de référence Ar, une longueur caractéristique Lc, le terme Ln signifiant logarithme népérien, la valeur d'absorption Am est dérivée de l'expression suivante : Am = Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc) De préférence, le circuit de contrôle est pourvu d'une compensation en température. A titre d'exemple, la compensation en température est réalisée au moyen de deux constantes KI, K2, d'une température de calibration ao et de la température à laquelle est réalisée la mesure à partir de l'expression suivante : Qm(9)/Qr(&o)=exp((Ar-Am).Lc).(9+KI)/(90+K1).(90+K2)/(&+K2) Suivant une variante de réalisation, l'un des modules d'émission comporte deux sources illuminant le module de détection qui lui fait face au moyen d'une lame partiellement réfléchissante. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description quï suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant aux figures annexées qui représentent : la figure 1, une vue en perspective d'une sonde optique de mesure d'absorption, la figure 2, un schéma en coupe du montage mécanique de cette sonde optique, en particulier o la figure 2a, une première option, o la figure 2b, une seconde option, la figure 3, un schéma de principe du montage électrique de cette sonde optique, et - La figure 4, un schéma en coupe d'une variante de cette sonde optique. Les éléments présents dans plusieurs figures sont affectés d'une seule 30 et même référence. En référence à la figure 1, la sonde optique se présente comme deux éléments distincts, la première cellule Cl et la deuxième cellule C2. Dans le cas présent, ces deux cellules se présentent chacune comme un corps cylindrique. Elles sont reliées par un moyen de liaison qui prend ici la forme d'un longeron 35 supérieur LI et d'un longeron inférieur L2. La liaison est ainsi réalisée que les deux corps cylindriques sont coaxiaux. Les faces en regard de ces deux corps sont dorénavant dénommées faces actives. Naturellement, le milieu à analyser se trouve entre ces deux faces actives. En référence à la figure 2a, suivant une première option, la première cellule Cl comprend essentiellement un premier module d'émission LED1, une diode électroluminescente par exemple, et un premier module de détection D1. Ces deux premiers modules LED1, D1 sont disposés derrière un premier hublot H1 qui matérialise la face active de la première cellule Cl. Selon la nature de cette source, il peut être nécessaire de prévoir un filtre passe-bande entre celle-ci et le hublot H1. Si le module d'émission est une diode électroluminescente qui présente un spectre d'émission relativement étroit, le filtre n'est pas toujours indispensable. Le premier module de détection comporte un premïer détecteur Dl qui est agencé derrière ce premier hublot H1 au voisinage du premier module d'émission LED1. Une première plaque partiellement réfléchissante PR1 est interposée entre le premier hublot H1 et le premier détecteur D1. Cette plaque peut d'ailleurs être intégrée au hublot. De manière analogue, la deuxième cellule C2 comprend un second module d'émission LED2 et un second module de détection D2. Ces deux seconds modules LED2, D2 sont disposés derrière un second 20 hublot H2 qui matérialise la face active de la deuxième cellule C2. Le second module de détection comporte un second détecteur D2 qui est agencé derrière ce second hublot H2 au voisinage du second module d'émission LED2. Une seconde plaque partiellement réfléchissante PR2 est interposée entre le second hublot H2 et le second détecteur D2. 25 Le milieu à analyser étant un fluide, les cellules Cl, C2 sont bien entendu étanches. Elles sont donc munies chacune d'une paroi du côté opposé à sa face active. La présentation ci-dessus considère implicitement que les corps de ces cellules sont opaques au rayonnement utilisé pour l'analyse. Il ne faut pas voir là 30 une limitation de l'invention qui s'applique également si ce corps est transparent à ce même rayonnement. On comprend donc bien que le terme hublot doit s'entendre dans son acception la plus large, c'est-à-dire surface transparente. De préférence, dans le souci d'optimiser les performances de la sonde, le deuxième détecteur D2 est identique au premier D1. De même, les deux 35 hublots H1, H2 sont de même nature. L'agencement mécanique de la sonde est ainsi fait que le faisceau lumineux issu du premier module d'émission LED1 traverse successivement le premier hublot H1, le milieu à analyser puis le second hublot H2. Ce faisceau atteint ensuite la seconde plaque partiellement réfléchissante PR2 sur laquelle il est pour partie transmis au second détecteur D2 et pour partie réfléchi vers le premier hublot H1 pour finalement traverser la première plaque partiellement réfléchissante PR1 et atteindre le premier détecteur D1. De même, le faisceau lumineux issu du second module d'émission LED2 traverse successivement le second hublot H2, le milieu à analyser puis le premier hublot H1. Ce faisceau atteint ensuite la première plaque partiellement réfléchissante PR1 sur laquelle il est pour partie transmis au premier détecteur Dl et pour partie réfléchi vers le second hublot H2 pour finalement traverser la seconde plaque partiellement réfléchissante PR2 et atteindre le second détecteur D2. Ici, les hublots H1, H2 sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de la sonde. La configuration permettant d'éclairer les deux détecteurs Dl, D2 chacun avec les deux modules d'émission LED1, LED2 est obtenue en disposant les détecteurs parallèlement à l'axe de la sonde et en inclinant les modules d'émission par rapport à cet axe. Ainsi, le deuxième détecteur D2 est interposé sur le chemin optique qui relie le premier module d'émission LED1 au premier détecteur Dl. De même, le premier détecteur D1 est interposé sur le chemin optique qui relie le second module d'émission LED2 au second détecteur D2. En référence à la figure 3, on détaille maintenant le montage électrique de la sonde optique ainsi que la manière de mesurer l'absorption dans la bande de réception du premier détecteur Dl en supposant que seul le premier module d'émission LED1 est activé. Le circuit de contrôle CC reçoit : un premier signal de détection DS1 du premier détecteur D1, - un premier signal de monitoring MS1 du deuxième détecteur D2. Il produit un coefficient d'absorption A ou toute valeur intermédiaire permettant d'obtenir ce coefficient. Les notations suivantes sont maintenant adoptées : - 10, intensité émise par le premier module d'émission LED1, - 11, intensité reçue par le premier détecteur Dl, représentée par le premier signal de détection DS1, 12, intensité reçue par le deuxième détecteur D2, représentée par le premier signal de monitoring MS1, R, le coefficient de réflexion du deuxième hublot H2, T, le coefficient de transmission de ce deuxième hublot H2, - G2, le coefficient d'atténuation entre le premier module d'émission LED1 et le deuxième hublot H2, G1, le coefficient d'atténuation entre le premier module d'émission LED1 et le premier H1 hublot, Lc, la distance entre les deux hublots H1, H2, - A, le coefficient d'absorption, plus particulièrement Ar ce coefficient dans le milieu de référence (mémorisé par le circuit de contrôle CC) et Am ce coefficient dans le milieu à analyser, exp, la fonction exponentielle, et Ln, le logarithme népérien. Les coefficients d'atténuation rendent compte du fait que les détecteurs ne reçoivent pas tout le flux lumineux émis dans leurs directions. Ils dépendent de considérations géométriques et sont donc indépendants des coefficients 20 d'absorption qui dépendent quant à eux de propriétés physico-chimiques du milieu analysé. L'intensité reçue par le deuxième détecteur vaut : I2=10.T.G2.exp(-A. Lc) L'intensité reçue par le premier détecteur vaut : 2 5 11=10. R.G 1.exp(-2A. Lc) II convient de souligner ici que, dans le but d'optimiser la sensibilité de la sonde, le deuxième hublot H2 est ainsi conçu que ces deux intensités 12, 11 soient du même ordre de grandeur. La réflexion partielle de ce hublot peut être obtenue de différentes manières, notamment par : 30 un revêtement d'une fine épaisseur de métal, - une couche de métal opaque et réfléchissante dans laquelle sont ménagées des ouvertures en damier, en lignes, .., un miroir présentant une ouverture centrale, un miroir diélectrique, 35 - un miroir recouvrant partiellement ce hublot. 10 15 On définit donc la mesure Q comme le rapport de l'intensité reçue par le premier détecteur D1 à celle reçue par le deuxième détecteur D2 : Q=11/12 Q=((R. G 1)/(T. G2)).exp(-A. Lc) L'expression (R.G1)/(T.G2) est une constante qui vaut K : Q=K.exp(-A.Lc) Il apparaît que seule intervient la distance Lc entre les deux hublots H1, H2 qui est donc la longueur caractéristique de la sonde optique. Cette longueur caractéristique Lc est mémorisée par le circuit de contrôle 10 CC. La calibration dans le milieu de référence donne la mesure de référence (Dr: Qr=K.exp(-Ar.Lc) Cette mesure de référence est également mémorisée par le circuit de 15 contrôle CC. La mesure dans le milieu à analyser donne le signal de mesure Qm Qm=K.exp(-Am.Lc) Il vient que : (Qm-Qr)/Qr=exp((Ar-Am). Lc)-1 20 Le circuit de contrôle produit ainsi le coefficient d'absorption recherché Am: Am = Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc) [1] D'autres moyens sont disponibles pour remonter au coefficient d'absorption Am du milieu à analyser. A titre d'exemple, on calcule directement 25 le rapport du signal de mesure Qm à la mesure de référence (Dr : Qm/Qr=exp((Ar-Am).Lc), d'où : Am= Ar -(Ln(Qm/Qr)/Lc) [2] Les équations [1] et [2] sont équivalentes et l'invention vise toutes les solutions qui dérivent du principe exposé ci-dessus. 30 On prévoit éventuellement une compensation en température pour tenir compte du fait que la calibration et la mesure proprement dite n'ont pas été faites é la même température. On admet une variation linéaire des intensités en fonction de la température 8,, ces variations étant quantifiées au moyen de quatre constantes 35 a,(3,xet8: L'intensité reçue par le deuxième détecteur D2 vaut maintenant : 12(9)=10.T.G2.exp(-A.Lc).(x9+8) L'intensité reçue par le premier détecteur vaut : 11(&)=10.R.G1.exp(-2A.Lc).(a9+[3) La mesure Q() vaut toujours le rapport de l'intensité reçue par le premier détecteur DI à celle reçue par le deuxième détecteur D2 : Q(9)=11(8)/12(9) Q(9)=K.exp(-A.Lc).(a9-1-[3)/(x9-1-8) La calibration est alors pratiquée dans un milieu de référence dont on connaît l'absorption à la température de calibration &o : Q(90)=K.exp(-Ar.Lc).(aâoi-py(z90+8) La mesure dans le milieu à analyser à la température donne le signal de mesure Qm(9) : Qm(â)=K.exp(-Am.Lc). (a9-F13)/(x9-1-8) Il vient que : Or-n(9)1Q r(&o)=exp((Ar-Am).Lc).(a9-E[3)/(z&+ê).(zSc,+8)/(a,h-1-13) Qm()/Q00)=exp((Ar-Am).Lc).(9-1-p/ay(So+[3/ot).(9o+Ô/z)/(&+&x) La détermination de fi/oc et se fait de manière expérimentale. Pour un liquide dont l'absorption ne varie pas avec la température, on établit la caractéristique de l'intensité 11(9) reçue par le premier détecteur Dl en fonction 2 0 de la température 9 au moyen de deux constantes a et b: II (8)=a&+b En identifiant cette équation avec l'équation [4], il vient que : a=10.R.Gl.exp(-2A.Lc).a b=10.R.G1.exp(-2A.Lc).13 25 On en déduit aisément le rapport K1=13/a qui est égal au rapport b/a. On procède ensuite de la même manière en établissant la caractéristique de l'intensité 12(8) reçue par le deuxième détecteur D2 en fonction de la température â, pour obtenir le rapport K2=8/x. Ces deux rapports KI et K2 caractérisant les variations de la 30 température sont mémorisés dans le circuit de contrôle CC, tout comme la température de calibration &o. De plus, un capteur (non représenté) informe ce circuit de contrôle CC sur la température 9 à laquelle est réalisée la mesure. L'homme du métier comprend bien que les deux cellules Cl, C2 sont symétriques. Ainsi, il n'est point besoin de détailler la manière de mesurer 35 l'absorption dans la bande de réception du second détecteur D2 qui se fait maintenant en supposant que seul le second module d'émission LED2 est activé. [3] [4] Pour mesure l'absorption sur chaque détecteur, il faut éviter que les deux modules d'émission agissent simultanément sur ces détecteurs. Une première solution consiste à activer séquentiellement ces modules d'émission. Une seconde solution consiste à moduler ces modules d'émission selon deux fréquences différentes. Les détecteurs, chacun accordé sur l'une de ces fréquences, sont alors utilisés en détection synchrone, technique bien connue de l'homme du métier, Généralement, les détecteurs sont centrés sur deux longueurs distinctes. 10 L'invention s'applique également s'ils présentent la même réponse spectrale, ce qui procure de la redondance. En référence à la figure 2b, suivant une seconde option, la configuration géométrique requise est obtenue en inclinant les hublots H1, H2 par rapport à l'axe de la sonde et en disposant les deux détecteurs D1, D2 ainsi que les deux 15 modules d'émission LED1, LED2 parallèlement à cet axe. La description faite en référence à la figure 2a s'applique sans modification. En référence à la figure 4, une variante de la sonde est exposée qui permet d'en augmenter encore l'extension spectrale. La première cellule Cl est agencée comme selon la deuxième option 20 décrite en référence à la figure 2b. La deuxième cellule C2 comprend encore un second module de détection D2 identique à celui décrit précédemment mais le second module d'émission est maintenant différent. Ces deux seconds modules sont toujours disposés derrière le second 25 hublot H2. Le second module d'émission est maintenant constitué d'une première SEa et d'une deuxième SEb sources lumineuses qui illumine une lame semiréfléchissante SR. La géométrie du montage est ainsi faite que le faisceau issu de la première source SEa traverse la lame semi-réfléchissante SR pour 30 atteindre le premier détecteur Dl et que le faisceau issu de la deuxième source SEb est réfléchi par cette lame SR toujours à destination du premier détecteur D1. Généralement, les deux sources lumineuses sont centrées sur deux longueurs d'onde distinctes. L'invention s'applique également si elles émettent le 35 même spectre, ce qui permet de pallier à une défaillance de l'une des sources. Si donc, les deux sources lumineuses sont centrées sur deux longueurs d'onde distinctes, il faut ici aussi éviter de les alimenter simultanément. La sonde optique objet de la présente invention réalise une mesure d'absorption par comparaison des propriétés optiques d'un milieu critique à celle d'un milieu de référence. La calibration est réalisée une fois pour toutes avant la mise en service de cette sonde car la cellule de monitoring permet de s'affranchir des diverses dérives mentionnées plus haut dans l'introduction. Elle peut éventuellement être répétée ponctuellement de temps à autre, ne serait-ce que pour des raisons de sécurité. Un avantage supplémentaire de la présente invention réside dans le fait que les deux cellules peuvent être identiques. Il s'ensuit que le nombre de sous-ensembles de la sonde est très réduit, ce qui est favorable pour la fabrication. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1) Sonde optique comportant une première cellule (Cl) qui comprend un premier module d'émission (LED1) et un premier module de détection (Dl) apte à produire un premier signal de détection (DS1), sonde comportant aussi une deuxième cellule (C2) qui comprend un deuxième module de détection (D2) apte à produire un premier signal de monitoring (MS1) du premier module d'émission (LED1), caractérisée en ce que, ladite deuxième cellule (C2) comprenant un deuxième module d émission (LED2, SR-SEa-SEb), ledit deuxième module de détection (D2) est apte à produire un deuxième signal de détection, et ledit premier module de détection (Dl) est apte à produire un deuxième signal de monitoring dudit deuxième module d'émission (LED2, SR-SEa-SEb). 2) Sonde optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdites cellules (Cl, C2) se présentent chacune sous la forme d'un corps étanche présentant une face active. 3) Sonde optique selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites cellules (Cl, C2) sont agencées chacune derrière un hublot (Hl, H2) figurant sur sa face active. 4) Sonde optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que chacun desdits modules de détection (Dl, D2) est placé derrière une plaque partiellement réfléchissante (PR1, PR2) qui jouxte le hublot (Hl, H2) correspondant. 5) Sonde optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que lesdits détecteurs (Dl, D2) sont identiques. 6) Sonde optique selon la revendication 5 caractérisée en ce que, lesdites cellules (Cl, C2) étant reliées par un moyen de liaison (LI, L2), les faces actives de ces cellules sont en vis-à-vis. 1135 7) Sonde optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus un circuit de contrôle (CC) pour produire un premier signal de mesure Qml par pondération dudit premier signal de détection (DSI) au moyen dudit premier signal de monitoring (MS1). 8) Sonde optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit premier signal de mesure Qm vaut le rapport dudit signal de détection (DS1) audit signal de monitoring (MS1). 9) Sonde optique selon la revendication précédente caractérisée en ce que, ledit circuit de contrôle (CC) ayant en mémoire les valeurs suivantes : une mesure de référence Qr, une absorption de référence Ar, une longueur caractéristique Le, le terme Ln signifiant logarithme népérien, ladite valeur d'absorption Am est dérivée de l'expression suivante : Am = Ar-(Ln(((Qm-Qr)/Qr)+1)/Lc) 20 10) Sonde optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit circuit de contrôle (CC) est pourvu d'une compensation en température. 11) Sonde optique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que 25 ladite compensation en température est réalisée au moyen de deux constantes K1, K2, d'une température de calibration &o et de la température s à laquelle est réalisée la mesure à partir de l'expression suivante Qm(&)/Qr(&o)=exp((Ar-Am). Lc).(&+K1)/(&o+K1).(&0+K2)/(&+K2) 30 12) Sonde optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un desdits modules d'émission comporte deux sources (SEa, Seb) illuminant le module de détection (Dl) qui lui fait face au moyen d'une lame partiellement réfléchissante (SR). 15 35