Brevet FR3001545A1 — publié le 20140801

L'invention se rapporte à un capteur optique infrarouge intégrant une cellule de mesure par transmission pour l'analyse de liquides en temps réel, ce capteur pouvant être utilisé en particulier pour l'analyse en continu d'un liquide circulant dans une tuyauterie. En application principale, mais non exclusive, l'invention concerne la surveillance de la qualité et de la composition du carburant de véhicules par des capteurs embarqués sur ces véhicules. Cette surveillance est devenue essentielle avec l'utilisation grandissante de biodiesel d'origines et de compositions variées. Si ce contrôle est fait en temps réel, il permet au système de contrôle du 10 véhicule d'adapter différents paramètres de réglage du moteur afin d'améliorer l'efficacité de la combustion, par exemple la quantité de carburant injecté, l'avance à l'allumage, ou la pression d'admission ou encore les réglages de dépollution. La surveillance de la composition des carburants peut être effectuée à la pompe, la qualité doit rester constante, avec un large choix de combustibles d'origine 15 pétrolière ou de biocarburants comportant des pourcentages variables en éthanol. Un moyen simple de connaître cette composition est l'utilisation de capteurs placés dans le réservoir ou entre le réservoir et le moteur, afin que le système électronique de gestion du véhicule puisse adapter les paramètres de réglage du moteur. Le domaine de la lumière infrarouge est actuellement reconnu comme pertinent pour l'analyse optique des 20 caractéristiques des combustibles ou lubrifiants, telles que l'indice d'octane, l'oxydation, la dilution. Or de nombreux types de capteurs existent pour l'analyse de fluides. Mais seulement certains sont prévus pour travailler en temps réel, condition indispensable pour gérer l'efficacité de la combustion d'un moteur. Le document de brevet US 6 842 234 25 décrit un tel capteur comportant une extrémité de fibre optique à deux brins insérée en tant que sonde dans le liquide à analyser, l'autre extrémité étant connectée à un équipement de traitement de signal. L'équipement de traitement de signal émet un signal optique infrarouge dans le premier brin de cette fibre qui se termine dans le liquide face à un miroir. Ce miroir 30 réfléchit le signal optique vers le deuxième brin de fibre. A l'autre extrémité de la fibre, l'équipement de traitement analyse alors un signal optique qui aura parcouru la sonde insérée dans le liquide à analyser. La température et la composition du liquide à analyser modifient le signal optique retour vers l'équipement de traitement. Pour que le signal optique se réfléchisse entièrement à l'intérieur des brins de 35 fibre optique, deux conditions sont à respecter : l'indice de réfraction du verre de la fibre optique doit être supérieur à celui du liquide traversé par la fibre, et le rayon de courbure de la fibre optique doit être suffisamment grand. Un tel capteur est donc encombrant et d'un coût élevé. Des exemples de capteurs moins encombrants et de moindre coût sont 5 présentés dans le document de brevet US 7 339 657. Ce document décrit des capteurs basés sur le principe de la spectroscopie infrarouge par réflexion. Selon ce principe, un rayon infrarouge est émis par des diodes électroluminescentes (LED) à l'intérieur d'une structure optique de type cristal à facettes multiples, dont les faces externes sont en contact avec le liquide à analyser et dont le volume interne sert au parcours du rayon 10 lumineux. Cette structure à facettes offre au moins deux réflexions au rayon lumineux dans sa partie interne. Le trajet aller du rayon lumineux depuis la LED et le trajet retour de ce rayon vers son point d'analyse sont parallèles mais de sens opposés. Ce trajet d'aller/retour du rayon permet l'installation de la source infrarouge émettrice et de 15 l'équipement d'analyse sur une seule carte. Les réflexions du rayon infrarouge sur les parois internes de la structure optique permettent, lors de l'analyse en retour, d'en déduire différents paramètres physiques ou chimiques du liquide examiné situé de l'autre côté de la structure optique. La structure de ces capteurs - par ses LED, sa carte unique et son faible volume - permet un coût de fabrication relativement bas et son utilisation 20 embarquée dans un véhicule. Cependant, la structure optique crée un relief à l'intérieur du volume de liquide à observer. A cause de ce relief, le liquide en circulation forme une poche de retenue avant la structure optique (dans le sens de circulation), des résidus (suie, impuretés,...) étant alors accumulés dans cette poche de retenue. De plus, les cristaux utilisés restent 25 onéreux et fragiles. L'invention vise à s'affranchir de ces inconvénients avec une spectroscopie infrarouge par transmission, et un équipement analysant en continu la totalité du carburant passant dans un conduit sans obstacle, ce qui permet l'analyse du carburant circulant dans ledit conduit sans formation d'une poche de liquide et donc de stagnation 30 de résidus. Plus précisément, la présente invention a pour objet un capteur optique pour l'analyse de liquide, le capteur comportant, dans un carter, une portion centrale de conduit dans laquelle circule le liquide et un dispositif d'analyse spectrale par un faisceau lumineux dans une bande de longueur d'onde. Dans ce dispositif, le faisceau est émis par 35 une source infrarouge et reçu par un équipement récepteur après avoir traversé le liquide à analyser via une pièce optique. Une plaque support agencée sur une embase porte la source infrarouge et l'équipement récepteur. Dans ce capteur, le liquide à analyser circule dans une boucle de la portion centrale de conduit délimitée par des parois de la pièce optique formant une arche et le carter formant une avancée dans cette arche. Un joint d'étanchéité est comprimé entre la pièce optique et le carter afin d'empêcher la diffusion de liquide à l'intérieur du carter. La forme en boucle du conduit de circulation du liquide au sein de la pièce optique permet l'analyse du liquide par la spectroscopie par transmission sans créer d'obstacle sur le parcours du liquide et donc sans formation de poche de liquide stagnant et donc de dépôts, comme dans le cas de capteurs utilisant la spectroscopie par réflexion. Selon des particularités avantageuses : - la pièce optique comporte au moins un couple constitué d'une première et d'une deuxième parois réfléchissantes inclinées par rapport au faisceau optique formant un trajet optique d'aller/retour sur la plaque support entre la source infrarouge et l'équipement récepteur ; - la première paroi réfléchissante et la deuxième paroi réfléchissante sont plane(s) ou asphérique(s) concave(s); - le faisceau lumineux est divergent en direction de la première paroi réfléchissante qui présente une paroi concave de sorte que le faisceau traverse sensiblement le liquide à analyser circulant dans la boucle de la portion centrale du conduit et se concentre la deuxième paroi réfléchissante avant d'atteindre l'équipement récepteur ; - au moins une des parois réfléchissantes est constituée par un miroir fixé sur la pièce optique ; - la pièce optique forme, en utilisation, une double arche, une première arche étant formée dans le plan de propagation du faisceau lumineux et une deuxième arche dans un plan perpendiculaire à ce plan de propagation; - les arches et l'avancée du carter forment la boucle de la portion centrale de conduit au coeur de la pièce optique pour le liquide à analyser ; - la bande de longueur d'onde est dans le domaine du rayonnement proche infrarouge ; - la source infrarouge est une diode électroluminescente (appelée LED) ; - des moyens de fixation sont prévus pour solidariser la plaque support sur le carter afin de comprimer le joint de manière ajustable. L'invention se rapporte également à un procédé d'analyse de liquide dans lequel le capteur ci-dessus est utilisé. Ce procédé consiste à: - dans une première étape, faire circuler le liquide à analyser dans la boucle du capteur défini ci-dessus ; - dans une deuxième étape, déclencher la source infrarouge du capteur qui émet un faisceau divergent ; - dans une troisième étape, orienter le faisceau lumineux dans la pièce optique vers la première paroi réfléchissante qui rend ce faisceau convergent, puis à travers la boucle pour subir une deuxième réflexion sur la deuxième paroi réfléchissante et enfin vers l'équipement récepteur sur la plaque support. Une variante de ce procédé concerne le faisceau lumineux dans le cas où il est dispersé et n'atteint pas totalement l'équipement récepteur ; dans ce cas, l'embase est configurée de sorte à recevoir au moins partiellement ce faisceau dispersé. Cette 10 réception par l'embase s'ajoute à la réception faite par l'équipement récepteur ce qui permet d'augmenter le rendement optique de la mesure. D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 15 - la figure 1, une vue en coupe d'un exemple de capteur optique à infrarouge selon l'invention dans un plan de circulation du fluide à analyser ; - la figure 2, une vue en coupe par le plan X'X de la figure 1 du capteur optique à infrarouge selon l'invention dans le plan de propagation des rayons lumineux perpendiculaire au plan de circulation du fluide, et 20 - la figure 3, une vue en coupe du capteur optique à infrarouge selon l'invention dans un plan des vis entre la pièce optique et le carter de compression. En référence à la vue de la figure 1, un exemple de réalisation de capteur optique à infrarouge 100 est présenté en coupe dans un plan de circulation du fluide 3 à 25 analyser. Ce fluide 3, un carburant dans l'exemple illustré, circule dans un conduit composé d'un conduit externe 2 au capteur 3 relié par des attaches 20 à une portion centrale de conduit 2' formée au sein du capteur 100. Ce capteur 100 possède un carter 1 en matériau plastique qui abrite l'ensemble des équipements dédiés à l'analyse du carburant 3 et détaillés ci-dessous. Une analyse optique de ce carburant 3 sera effectuée 30 à partir d'un faisceau lumineux infrarouge qui traverse cette portion centrale de conduit 2'. Cette portion centrale de conduit 2' présente une boucle 4 formée d'une voûte 5, en partie supérieure d'une arche 50 réalisée dans une pièce optique en verre 9, et d'une face inférieure 6 d'une avancée 60 du carter 1 dans cette pièce optique 9. Les pieds 51 de l'arche 50 se terminent aux niveaux 7 et 7' de chaque côté de l'avancée 60. 35 Sur cette figure 1 apparaissent également une plaque support d'équipements 13 (voir figure 2) reposant sur une embase 16 et fixée sur la pièce optique 9 par des vis (seules les têtes 150 de ces vis apparaissent sur la figure 1). Un joint torique 10 enserre les pieds 51 de la pièce optique 9 sur une encoignure circulaire 19 du carter 1, afin d'éviter les fuites du carburant dans le carter 1 à partir de la portion centrale de conduit 2'. D'autres vis (dont seules têtes 170 sont visibles sur la figure 1) sont destinées 5 à rapprocher la plaque support 13 du carter 1, de sorte à comprimer le joint torique 10 et d'assurer ainsi l'étanchéité de la portion centrale de conduit 2'. Le faisceau lumineux traverse la portion centrale de conduit 2' sur sensiblement toute la hauteur supérieure H de cette portion centrale de conduit 2', c'est-à-dire entre les sommets de la voûte 5 et de l'avancée 60. Ceci va permettre de réaliser une 10 spectroscopie par transmission comme exposé ci-dessous. La figure 2 montre une vue en coupe du capteur optique à infrarouge 100 dans un plan de propagation du faisceau lumineux 30 selon l'invention, perpendiculairement à la vue en coupe de la figure 1 selon le plan X'X. La boucle 4 de la pièce optique en verre 9 présente une arche 52 perpendiculaire à l'arche 50 de la figure 1, 15 ces deux arches ayant la même voûte 5. La portion centrale de conduit 2' est vue au niveau de la boucle 4 selon sa hauteur supérieure H. Le contour de la portion centrale de conduit 2' est alors constitué par la pièce optique en verre 9 du capteur 100 sur toutes ses faces sauf sur sa face inférieure constituée par la face 6 de l'avancée 60 du carter 1 en matériau plastique. Sur la figure 2, apparaît également le contour du conduit externe 2 qui 20 se confond avec le contour de la portion centrale de conduit 2' hors de la pièce optique 9. Le joint torique 10 est comprimé dans l'encoignure 19 du carter 1 pour enserrer les pieds 51 de la pièce optique 9. Cette coupe illustre le parcours du faisceau lumineux 30 traversant le carburant à analyser. Il traverse ce carburant sur sensiblement toute la hauteur H entre 25 les sommets de la voûte 5 et de la face 6. Ce faisceau lumineux 30 est émis par la source infrarouge 22 fixée sur la plaque support 13 et équipée d'une LED émettant une lumière infrarouge de longueur d'onde comprise entre 1500 nm et 2000 nm dans l'exemple. Puis le faisceau lumineux 30 traverse la pièce optique 9 dans toute sa largeur selon un parcours formant deux réflexions à angles droits en moyenne sur des faces 30 globalement inclinées 91 et 92 de la pièce optique 9 pour permettre un retour du faisceau 30 sur l'équipement récepteur 28 fixé sur la plaque support 13. Les réflexions sont réalisées par un premier miroir 24, fixé sur la face 91 de la pièce optique 9, et par un deuxième miroir 26, fixé sur la face 92 de la pièce optique 9. Le premier miroir 24 est asphérique concave et le deuxième est un miroir 35 plan 26. Le faisceau lumineux 30 est émis divergent vers le premier miroir 24, ce qui permet au faisceau 30 de traverser la portion centrale de conduit 2' sur quasiment toute la hauteur supérieure H de la boucle 4 de la portion centrale de conduit 2', avant de converger vers le deuxième miroir 26 puis de s'orienter vers l'équipement récepteur 28. La figure 3 présente une coupe de l'exemple de capteur 100 selon l'invention dans le plan des vis 17 de fixation de la pièce optique 9 contre le carter 1 via la fixation de 5 l'embase 16 de la plaque support 13 sur le carter 1. Les vis 17 compriment le joint torique 10 (figures 1 ou 2) de jonction de la pièce optique 9 au carter 1 pour assurer sa fonction d'étanchéité. Les autres vis, dont n'apparaissent que les têtes 150, sont dans un autre plan de coupe. Ces vis fixent la plaque support 13 sur la pièce optique 9. Sur la figure 3, apparaît également en pointillés la portion centrale de conduit 2' formant la 10 boucle 4 dans un plan parallèle au plan de la figure, ainsi que l'équipement récepteur 28 du capteur 100. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. En effet, hors les carburants, de nombreux liquides peuvent être analysés en continu par transmission à l'aide d'un tel capteur optique, à condition que le liquide ait une 15 transmittance non nulle. Ce type de capteur peut être placé dans un conduit alimentant en carburant un moteur, ou en sortie de réservoir de carburant, ou dans tout circuit où la qualité d'un fluide doit être surveillée. En outre, le faisceau lumineux peut se propager dans un plan perpendiculaire 20 ou parallèle au plan de circulation du fluide à analyser. Concernant l'ouverture angulaire du faisceau lumineux lors de son émission, cette ouverture est réglée en divergence ou convergence en fonction de la (ou des) courbure des parois réfléchissantes. De plus, plusieurs longueurs d'onde peuvent être utilisées en même temps 25 pour enrichir les résultats obtenus avec les analyses faites à partir du faisceau lumineux reçu après avoir traversé le liquide. D'autres longueurs d'onde que celles du proche infrarouge peuvent être utilisées, par exemple l'infrarouge moyen ou lointain. La mesure peut se faire avec une longueur d'onde unique, ou dans une plage de longueurs d'onde. 30 Par ailleurs, la boucle formée par le conduit à l'intérieur du capteur peut être une arche orientée selon différentes directions par rapport à la gravité: vers le bas, mais aussi vers le haut, ou latéralement. En effet, la pression du fluide circulant empêche tout dépôt d'impuretés dans la boucle. REVENDICATIONS1. Capteur optique pour une analyse d'un liquide, le capteur (100) comportant, dans un carter (1), une portion centrale de conduit (2') dans laquelle circule le liquide (3), un dispositif d'analyse spectrale par un faisceau lumineux (30) dans une bande de longueur d'onde émis par une source infrarouge (22) et reçu par un équipement récepteur (28) après avoir traversé le liquide à analyser (3) via une pièce optique (9), et une plaque support (13) agencée sur une embase (16) portant la source infrarouge (22) et l'équipement récepteur (28), caractérisé en ce que le liquide à analyser (3) circule dans une boucle (4) de la portion centrale de conduit (2') délimitée par des parois de la pièce optique (9) formant une arche (50), en ce que le carter (1) forme une avancée (60) dans cette arche (50), et en ce qu'un joint (10) d'étanchéité est comprimé entre la pièce optique (9) et le carter (1) afin d'empêcher la diffusion de liquide à l'intérieur du carter (1). 2. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon la revendication 1, dans lequel la pièce optique (9) comporte au moins un couple constitué d'une première (91) et d'une deuxième (92) parois réfléchissantes inclinées par rapport au faisceau optique (30) formant un trajet optique d'aller/retour sur la plaque support (13) entre la source infrarouge (22) et l'équipement récepteur (28). 3. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon la revendication précédente, dans lequel la première paroi réfléchissante (91) et la deuxième paroi (92) réfléchissante sont plane(s) ou asphérique(s) concave(s). 4. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le faisceau lumineux (30) est divergent en direction de la première paroi réfléchissante (91) qui présente une paroi concave de sorte que le faisceau (30) traverse sensiblement le liquide à analyser (3) circulant dans la boucle (4) et se concentre sur la deuxième paroi réfléchissante (92) avant d'atteindre l'équipement récepteur (28). 5. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel au moins une des parois réfléchissantes est constituée par un miroir (24, 26) fixé sur la pièce optique (9). 6. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce optique (9) forme une double arche (50, 52), une première arche (52) étant formée dans le plan de propagation du faisceau lumineux (30) et une deuxième arche (50) dans un plan perpendiculaire à ce plan de propagation. 7. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les arches (50, 52) et l'avancée (60) du carter (1) forment la boucle (4) de la portion centrale de conduit (2') au coeur de la pièce optique (9) pour le liquide à analyser (3). 8. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la bande de longueur d'onde est dans le domaine du rayonnement proche infrarouge. 9. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la source infrarouge (22) est une diode 10 électroluminescente. 10. Capteur optique pour une analyse d'un liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel des moyens de fixation (15, 17) sont prévus pour solidariser la plaque support (13) sur le carter (1) afin de comprimer le joint (10) de manière ajustable. 15 11. Procédé d'analyse d'un liquide utilisant le capteur (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que : - dans une première étape, faire circuler le liquide à analyser (3) dans la boucle (4) de la portion centrale de conduit (2') du capteur (100) ; - dans une deuxième étape, déclencher la source infrarouge (22) du capteur qui 20 émet un faisceau (30) divergeant ; - dans une troisième étape, orienter le faisceau lumineux (30) dans la pièce optique (9) vers la première paroi réfléchissante (91) qui rend ce faisceau convergent, puis à travers la boucle (4) pour subir une deuxième réflexion sur la deuxième paroi réfléchissante (92) et enfin vers l'équipement récepteur (28) sur la plaque support 25 (13). 12. Procédé d'analyse selon la revendication précédente, dans lequel le faisceau lumineux (30) étant dispersé et n'atteignant pas totalement l'équipement récepteur (28), l'embase (16) est configurée de sorte à recevoir au moins partiellement ce faisceau dispersé (30), cette réception par l'embase (16) s'ajoutant à la réception faite par 30 l'équipement récepteur (28).