Brevet FR2982366A1 — publié le 20130510

L'invention concerne un capteur optique pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit, et le procédé correspondant. Il est usuel de mesurer la teneur en eau d'un produit, notamment par spectroscopie, en analysant le spectre du rayonnement induit par un éclairement initial du produit. Lorsque l'éclairement initial est réalisé en spectre continu, le résultat est sensible à l'éclairement ambiant et il est nécessaire de disposer des monochromateurs pour isoler des longueurs d'onde caractéristiques. Par ailleurs, il est usuel d'utiliser des systèmes optiques pour assurer une collimation ou une focalisation des faisceaux analysés. Il en résulte une complexité du système optique utilisé et un coût élevé. L'un des buts de l'invention est de proposer un capteur optique pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit. Un autre but de l'invention est de proposer un capteur optique ne présentant pas les inconvénients des systèmes optiques connus, c'est-à-dire ne comportant pas de monochromateur et ne nécessitant ni collimation, ni focalisation de faisceaux. L'invention a pour objet un capteur optique pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit, comportant un ensemble de diodes électro-luminescentes (LEDs) pour éclairer ledit produit et des circuits électroniques de traitement du spectre rétrodiffusé par ledit produit, caractérisé en ce que : - les LEDs sont réparties dans un cercle, en plusieurs séries, pour assurer un éclairement homogène dudit produit ; et - un seul photodétecteur est disposé au centre du cercle, pour recueillir directement le spectre rétrodiffusé par ledit produit. Avantageusement, les LEDs de chaque série de LEDs émettent le même signal modulé en fréquence, dans le proche infra-rouge, avec une fréquence porteuse définie et une fréquence de modulation définie. De manière avantageuse, les LEDs de chaque série de LEDs sont réparties dans ledit cercle pour assurer un éclairement homogène dudit produit. De préférence, les séries de LEDs se déduisent l'une de l'autre par une rotation par rapport au centre dudit cercle. Avantageusement, les fréquences porteuses et les fréquences de modulation sont déterminées pour éviter les harmoniques et la diaphonie. De manière avantageuse, chaque série de LEDs est pilotée individuellement et le contrôle de son intensité d'éclairement est assuré par l'intermédiaire d'une source de courant variable. De préférence, le photodétecteur est relié à un processeur de signal numérique par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique. L'invention a aussi pour objet un procédé de détermination de la teneur en matière sèche d'un produit au moyen d'un capteur optique tel que décrit ci-dessus, caractérisé par les étapes de : a) éclairer le produit au moyen de LEDs réparties en séries, chaque série émettant, dans le proche infra-rouge, un signal modulé en fréquence, avec une fréquence porteuse définie et une fréquence de modulation définie ; b) capter directement dans un photodétecteur unique le spectre rétrodiffusé par ledit produit; c) après conversion analogique-numérique, effectuer un filtrage électronique par démodulation par rapport aux fréquences de modulation pour récupérer les signaux correspondant aux fréquences porteuses ; d) réaliser pour chaque fréquence porteuse, une analyse du signal et en calculer une valeur moyenne ; e) calculer une valeur moyenne générale des valeurs moyennes calculées pour chaque fréquence porteuse ; f) appliquer une méthode d'étalonnage pour déterminer la teneur en matière sèche dudit produit à partir de la valeur moyenne générale. Avantageusement, les étapes a) à d) sont effectuées à la fréquence de 20 kHz De préférence, les étapes e) et f) sont effectuées à la fréquence de 80 Hz. D'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit d'un exemple de réalisation, faite avec référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente une vue de côté, éclatée, d'un capteur optique selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de face du capteur optique de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique de face du capteur optique de la figure 2, montrant la disposition d'une série de LEDs selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est un schéma simplifié des circuits électroniques de traitement utilisés dans le capteur optique selon l'invention. Sur les figures 1 et 2, le capteur optique se compose essentiellement d'une plaque de support 1 portant d'un côté plusieurs séries de diodes électro-luminescentes 2, réparties dans un cercle et destinées à l'éclairement du produit à analyser, et un photodétecteur 3 disposé au centre du cercle, et de l'autre côté les circuits électroniques de traitement 4. Les diodes électro-luminescentes, désignées ci-après LEDs sont réparties en plusieurs séries, selon une disposition matricielle, par exemple inscrite dans un cercle, ou tout autre disposition. Un exemple de disposition d'une série de LEDs est représenté figure 3. Selon cet exemple, les LEDs d'une même série sont disposées sur trois cercles concentriques. Chaque série de LEDs se déduit de la précédente par une rotation de 72° par rapport au centre du cercle et il y a cinq séries de LEDs. Avec cette disposition, chaque série de LEDs assure un éclairement satisfaisant du produit analysé. L'ensemble des LEDs est réparti régulièrement sur les cercles concentriques pour assurer un éclairement homogène du produit analysé. Chaque série de LEDs est prévue pour émettre dans le proche infra-rouge, dans une bande spectrale définie, avec pour chaque série de LEDs, une fréquence porteuse définie et une fréquence de modulation définie. Toutes les LEDs de la même série émettent le même signal modulé en fréquence. Chaque série de LEDs est pilotée individuellement, ce qui permet d'assurer une mise en service sélective et un contrôle de l'intensité d'éclairement au moyen d'une source de courant variable pour chaque série de LEDs. Les LEDs assurent l'éclairement de la cible constituée par le produit à analyser. Ainsi éclairé, le produit émet un spectre rétrodiffusé qui est reçu directement par un photodétecteur 3 unique, et ensuite analysé par des circuits électroniques. Le photodétecteur 3 reçoit directement l'éclairement rétrodiffusé par la cible sans utilisation de système optique de convergence ou de collimation, ce qui permet une variation de la distance entre la cible et le photodétecteur. Dans un mode de réalisation pratique, cette distance est comprise entre 5 et 30 cm. A réception de l'éclairement rétrodiffusé par la cible, le photodétecteur 3 émet un signal électrique analogique, qui passe dans un préamplificateur 5, dans un filtre anti- repliement 6 et qui est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 7. Le convertisseur analogique-numérique 7 délivre un signal numérique traité par le processeur de signal numérique 8 qui délivre, après filtrage numérique, un signal de sortie série à un ensemble de traitement de signal 9. Une interface périphérique série 10 assure la transmission à chacun des générateurs de fonction 11-1 à 11-5 et au convertisseur analogique numérique 7, des fréquences de modulation fl à f5 de chacune des séries de LEDs. A titre d'exemple, ces fréquences de modulation sont : fl = 1040 Hz ; f2 = 1120 Hz ; f3 = 1360 Hz ; f4 = 1520 Hz ; f5 = 1680 Hz. Elles sont déterminées pour éviter les harmoniques et la diaphonie. L'interface périphérique série 10 assure la transmission aux générateurs de fonction 11-1 à 11-5 des informations de programmation en provenance du processeur de signal numérique 8. A partir de ces informations de programmation, les générateurs de fonction 11-1 à 11-5 commandent les sources de courant variable 12-1 à 12-5 qui alimentent les LEDs, de façon à commander l'intensité d'éclairement assuré par chacune des séries de LEDs, le flux lumineux émis par une LED étant proportionnel à l'intensité du courant qui la traverse. Pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit, le procédé utilisant le capteur optique s'analyse de la manière suivante. 2 982 3 66 5 Le produit à analyser, ou cible, est éclairé par plusieurs séries de LEDs, cinq dans l'exemple décrit, chaque série étant caractérisée par une fréquence porteuse différente, correspondant à des longueurs d'onde différentes : k1 à k5. Ces porteuses sont modulées en fréquence par des fréquences différentes fl à f5. La cible éclairée 5 par l'ensemble des séries de LEDs envoie un signal rétrodiffusé qui est capté directement par le photodétecteur 3 unique. Le principe de la mesure est basé sur une détection synchrone multiporteuse. Après passage dans le préamplificateur 5 et le filtre anti-repliement 6, le signal est traité par le convertisseur analogique-numérique 7 qui délivre un signal numérique au processeur de signal numérique 8. Un filtrage 10 électronique est réalisé, par démodulation par rapport aux fréquences de modulation fl à f5, pour récupérer les signaux correspondant aux différentes porteuses, de longueurs d'onde k1 à k5. A titre d'exemple, les longueurs d'onde sont : kl = 910 nm ; k2 = 950 nm ; 23 = 1070 nm ; X41= 1200 nm ; k5 = 1550 nm. 15 Le signal est analysé à la fréquence d'échantillonnage de 20 kHz pour chaque longueur d'onde k1 à k5. Une valeur moyenne est calculée pour chaque longueur d'onde k1 à k5. Une valeur moyenne générale des valeurs moyennes calculées pour chaque longueur d'onde k1 à k5 est ensuite calculée à la fréquence de 80 Hz. Ainsi, la fréquence de mesure d'un 20 spectre rétrodiffusé complet est de 80 Hz. Les données spectrales ainsi élaborées sont transmises par liaison série à un ensemble de traitement de signal 9 où elles sont traitées par des méthodes d'étalonnage, par exemple dérivées de la méthode des moindres carrés, et connues par leur sigle, par exemple PLSR (Partial Least Square Regression) ou EPO-PLSR 25 (External Parameter Orthogonalisation-PLSR). Ces méthodes mettant en oeuvre la chimiométrie permettent de déterminer la teneur en matière sèche du produit analysé. Les applications du capteur optique pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit sont nombreuses et adaptées au contrôle en temps réel de produits en mouvement au cours de différents processus d'élaboration. A titre d'exemple, on peut citer la production d'aliments pour les animaux d'élevage et notamment les bovins ; la production de biogaz à partir de déchets et de produits ensilés ; la production de compost ; la production de pâtes, de poudres, de matières premières biologiques pour l'alimentation. L'invention a été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, donné à titre illustratif et non limitatif, et elle couvre ses équivalents techniques. REVENDICATIONS1- Capteur optique pour la détermination de la teneur en matière sèche d'un produit, comportant un ensemble de diodes électro-luminescentes (LEDs) pour éclairer ledit produit et des circuits électroniques de traitement du spectre rétrodiffusé par ledit produit, caractérisé en ce que : - les LEDs (2) sont réparties dans un cercle, en plusieurs séries, pour assurer un éclairement homogène dudit produit ; et - un seul photodétecteur (3) est disposé au centre du cercle, pour recueillir directement le spectre rétrodiffusé par ledit produit. 2- Capteur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les LEDs (2) de chaque série de LEDs émettent le même signal modulé en fréquence, dans le proche infra-rouge, avec une fréquence porteuse définie et une fréquence de modulation définie. 3- Capteur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que les LEDs (2) de chaque série de LEDs sont réparties dans ledit cercle pour assurer un éclairement homogène dudit produit. 4- Capteur optique selon la revendication 3 caractérisé en ce que les séries de LEDs se déduisent l'une de l'autre par une rotation par rapport au centre dudit cercle. 5- Capteur optique selon la revendication 2 caractérisé en ce que les fréquences porteuses et les fréquences de modulation sont déterminées pour éviter les harmoniques et la diaphonie. 6- Capteur optique selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque série de LEDs est pilotée individuellement et le contrôle de son intensité d'éclairement est assuré par l'intermédiaire d'une source de courant variable (12-1 à 12-5). 7- Capteur optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le photodétecteur (3) est relié à un processeur de signal numérique (8) par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique (7). 8- Procédé de détermination de la teneur en matière sèche d'un produit au moyen d'un capteur optique selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par les étapes de : a) éclairer le produit au moyen de LEDs réparties en séries, chaque série émettant, dans le proche infra-rouge, un signal modulé en fréquence, avec une fréquence porteuse définie et une fréquence de modulation définie ; b) capter directement dans un photodétecteur unique le spectre rétrodiffusé par ledit produit; c) après conversion analogique-numérique, effectuer un filtrage électronique par démodulation par rapport aux fréquences de modulation pour récupérer les signaux correspondant aux fréquences porteuses ; d) réaliser pour chaque fréquence porteuse, une analyse du signal et en calculer une valeur moyenne ; e) calculer une valeur moyenne générale des valeurs moyennes calculées pour chaque fréquence porteuse ; f) appliquer une méthode d'étalonnage pour déterminer la teneur en matière sèche dudit produit à partir de la valeur moyenne générale. 9- Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que les étapes a) à d) sont effectuées à la fréquence de 20 kHz. 10- Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que les étapes e) et f) sont effectuées à la fréquence de 80 Hz.