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WO 98/53302 PCT/FR98/00992
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« Appareil de mesure de l'évolution des caractéristiques optiques d'un milieu
liquide ou
gazeux en circulation »
La présente invention concerne un appareil de me-
sure de l'évolution des caractéristiques optiques d'un milieu
liquide ou gazeux en circulation, par la mesure de la lumière
diffusêe à travers le milieu.
L'invention concerne le domaine de la mesure et
le contrôle de la turbidité et le comptage de particules.
La turbidité d'un milieu liquide ou gazeux se dé
finit comme l'expression de la propriëté optique du milieu à
disperser ou absorber la lumiêre plutôt que de la transmettre
lo en ligne droite.
La dispersion et l'absorption de la lumière sont
provoquées par l'interaction de la lumière avec les particu-
les en suspension dans le milieu.
A l'origine, la mesure de la turbidité était la
1s mesure de l'atténuation de la lumiêre transmise à travers un
êchantillon liquide. Mais, cette mesure d'atténuation n'est
pas significative pour les faibles turbidités.
Selon l'art antérieur, on réétalonne l'appareil à
chaque mesure en utilisant un modèle pour la comparaison.
Les turbidimètres connus fonctionnent d'une ma-
nière discontinue par prêlèvement. Ils utilisent une petite
cuve. Certaines comparaisons se font manuellement, d'autres
se font automatiquement mais toujours de manière discontinue.
Une nouvelle rêglementation par exemple la norme
25 française NF EN 27027 prévoit de comparer le milieu à mesurer
à un milieu échantillon à base de formazine constituant
l'êtalon primaire de la turbidité.
Selon cette norme, la mesure de la turbidité con-
siste à mesurer la lumière diffusée par les particules du mi-
lieu, soit à angle droit par rapport à la direction
d'émission du faisceau, soit en direct (180°), c'est-à-dire
~ dans l'alignement du faisceau incident. La quantité de lu-
mière diffusée dans une direction est proportionnelle â la
concentration des particules. Les unitês de mesure sont les
unités nêphêlométriques formazine (F.A.U.).
La quantité de lumière diffusée par une particule
dépend entre autres de sa taille, de sa forme, de son orien-
tation, de sa composition et des indices de réfraction, celui
EEüILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)
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du liquide et celui des particules. Il faut dans ces condi-
tions étalonner l'appareil de mesure.
On distingue différentes gammes de turbidité .
- faible turbidité . 0 â 3 F.A.U.
- moyenne turbidité . 0 à 30 F.A.U.
0 à 300 F.A.U.
- forte turbidité . 0 à 3000 F.A.U.
Actuellement et selon les anciennes normes, la
mesure de la turbidité d'un milieu se fait par échantillon
l0 nage, en prélevant un échantillon du milieu et en le compa
rant à des échantillons de référence. Cette technique par
échantillonnage est longue ; elle nécessite des opérations de
prélèvement et surtout ne permet pas de surveiller efficace
ment et automatiquement l'évolution d'un milieu.
La mesure de la turbidité évoquée ci-dessus se
révèle parfois insuffisante pour le contrôle de fluide et
tend à être remplacée par le comptage de particule, selon des
techniques connues.
La présente invention a pour but de remédier aux
inconvênients des techniques connues et se propose de créer
un appareil de mesure de comptage et d'analyse d'un fluide
permettant une mesure en continu d'un milieu liquide ou ga
zeux pour en déterminer l'évolution et prendre les disposi
tions appropriées en fonction de cette évolution, notamment
pour la surveillance et le contrôle de fluides tels que l'eau
de consommation et les eaux rejetées après traitement,
d'origine ménagère ou industrielle, liquides alimentaires,
lait, jus de fruits.
A cet effet, l'invention concerne un appareil
3o mettant en oeuvre le principe de la mesure de la lumiëre dif
fusée à travers le milieu, cet appareil étant caractérisé en
ce qu'il comprend .
- un capteur ayant un passage traversé par le milieu à mesu-
rer,
- une source de lumière monochromatique et stabilisée sur une
longueur d'onde dirigée à travers le passage,
- un photodétecteur aligné sur la source de l'autre côté du
passage, selon un angle dépendant des applications,
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- un débitmètre,
- un circuit d'exploitation formé d'un circuit d'alimentation
de la source et de mise en forme des signaux du photodétec-
teur et du débitmètre, et d'un circuit de traitement pour
évaluer les signaux du capteur et du dëbitmètre et fournir
des données représentatives.
Suivant d' autres caractéristiaues c3P ~ ~ ; r,trA"-
tion .
- le débitmètre est un débitmètre à ultrasons ;
- le débitmètre comprend une sonde de température ;
- le débitmètre comprend un générateur d'ultrasons pour le
nettoyage permanent ou périodique de l'intérieur du capteur
traversé par le fluide.
L'appareil de mesure selon l'invention permet un
fonctionnement continu, c'est-à-dire une surveillance ou une
êvaluation permanente du fluide (liquide ou gaz) chargé ou
dont on veut surveiller la turbidité et plus généralement la
concentration en particules, ce qui constitue un avantage et
une sécurité extrêmement importants. Cela réduit considéra
blement les risques, notamment de pollution ou d'accident in-
dustriel sans pour autant nécessiter la présence permanente
d'un agent.
Le circuit de traitement contient la courbe
d'étalonnage et de préférence un modèle théorique, choisi
suivant l'analyse à effectuer. Plusieurs modèles peuvent être
en mémoire dans l'appareil, ce qui lui permet de valider im-
mêdiatement la mesure fournie par le capteur. L'appareil est
étalonné en usine une fois pour toutes. Il ne nécessite aucun
réétalonnage â chaque mesure.
3o Son étalonnage en usine peut être fait par un au-
tomate programmable pour permettre à l'appareil d'effectuer
différents types d'analyses ou de comptages de particules ou
de mesures de turbidité, par exemple dans différentes plages
telles que celles définies par les normes.
Malgré cet étalonnage quasi définitif en usine,
il est toujours souhaitable d'effectuer un contrôle régulier
de l'appareil comme l'imposent certaines normes nationales
relatives aux instruments de mesure ou appareils assimilés.
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Comme cet appareil tient compte du débit pour le
comptage des particules, on obtient un résultat indépendant
du débit. Cela est très important pour les mesures faites en
continu puisque les débits des fluides analysés peuvent va
s rier.
Cette surveillance continue et le traitement qua-
si instantané des signaux permet une intervention rapide sur
~ le circuit du fluide à contrôler et analyser.
Suivant d'autres caractéristiques avantageuses .
lo - la source est une diode laser,
- le circuit de mise en forme des signaux du photodétecteur
se compose d'un filtre et d'un amplificateur,
- l'appareil mesure la température du fluide analysé,
- le circuit de traitement comprend un microprocesseur dans
15 lequel est enregistrée un modèle théorique et différentes
sorties de relayage, d'affichage, vers un enregistreur ou
vers un ordinateur ou un automate.
La présente invention sera décrite ci-après de
manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans les
2o quels
- la figure Z est un schëma de principe de
l'appareil de mesure selon l'invention,
- la figure 2 est un schéma par blocs de
l'appareil de la figure 1,
25 - la figure 3 est une vue en perspective, coupée,
d'un mode de réalisation d'un capteur,
- la figure 4 est une reprêsentation schématique
de l'installation d'un appareil de mesure en dérivation sur
une conduite.
30 A la figure 1, l'appareil de mesure selon
l'invention de l'évolution des caractéristiques optiques d'un
milieu liquide ou gazeux en circulation, mettant en oeuvre la
mesure de la lumière diffusée en direct à travers le liquide,
se compose d'un capteur 100 et d'un circuit d'exploitation
35 200 du signal du capteur.
Le capteur 100 se compose d'un corps 110 dans le-
quel est réalisé un passage 111 traversé par le milieu à me-
surer ( f lèche A) ( axe YY) .
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Ce corps 110 loge une source de lumière monochro-
matique et stabilisëe sur une longueur d'onde 112 formée
d'une diode 113 et de son équipement optique (lentille) 114.
La diode 113 est reliée au circuit d'exploitation 200 qui
5 stabilise sa longueur d'onde et sa puissance.
La source 112 est dirigée en travers du passage
111 suivant l'axe XX. Le capteur 100 comprend également un
photodétecteur 120 aligné, selon un angle dépendant des ap-
plications, sur la source 112, de l'autre côté du passage
l0 111. Ce photodétecteur 120 comprend un photodétecteur semi-
conducteur 121 tel qu'un phototransistor précédé d'une opti-
que 122. Ce photodétecteur 120 fournit un signal de mesure S1
au circuit d'exploitation 200.
Le capteur 100 est également équipé d'un débitmê
tre 140, par exemple à ultrasons, qui fournit son signal S2
au circuit d'exploitation 200.
Suivant les applications, le capteur comporte
également une sonde de tempêrature 150, lorsque par exemple
la température du fluide est susceptible de varier de manière
significative pour le signal résultant.
Le signal S3 de la sonde de température est éga-
lement fourni au circuit 200.
Le circuit d'exploitation 200 se compose d'un
circuit de mise en forme 210 des signaux du capteur 100 et
d'un circuit de traitement 220 du signal ainsi mis en forme.
Le circuit de mise en forme 210 reçoit les si-
gnaux S1, S2, S3 du photodétecteur 120 du débitmètre 140 et
du capteur de température 150 pour les filtrer et les ampli-
fier puis fournir les signaux S4, S5, S6 mis en forme, au
circuit de traitement 220 constitué par un microprocesseur.
Ce circuit de traitement 220 compare le signal obtenu à un ou
des signaux de référence, pour former un signal représentatif
de la turbidité du fluide en unités F.A.U., après l'avoir
corrigé en tenant compte du débit et, le cas échéant, de la
température du fluide analysé.
Le circuit d'exploitation 200 comporte également
une mémoire permettant d'enregistrer les signaux reçus ainsi
que des moyens d'affichage ou d'enregistrement des signaux.
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La figure 2 montre sous la forme d'un schéma-bloc
la structure de l'appareil selon la figure 1. Cette descrip-
tion utilisera les mêmes références qu'à la figure 1 pour dé-
signer les mêmes éléments.
Selon la figure 2, l'appareil comprend une diode
laser 112 avec son alimentation 115 reliée au circuit de
traitement 200 par un câble 300.
Dans cette réalisation, le capteur 100 comporte
une partie du circuit d'exploitation à savoir le circuit
lo d'alimentation 15 de la diode 113 de la source 112 ainsi que
les moyens de mise en forme des signaux fournis par le photo-
détecteur 121. A cet effet, il comporte un filtre 123 qui
filtre les signaux pour séparer les parasites. Le filtre 123
est suivi d'un amplificateur 124 et d'une sortie 125.
15 Le câble 300 qui fait la liaison entre le capteur
100 et le circuit d'exploitation 200 est de préférence un câ-
ble blindé mis à la masse 301 par son blindage 302.
Le circuit d'exploitation 200 se compose d'une
alimentation générale 201 qui fournit l'énergie électrique
20 sous la forme demandée par les différents utilisateurs ; no
tamment cette alimentation générale 201 est reliée à
l'alimentation régulée 115 de la diode 113. L'alimentation
générale 201 est également reliée au microprocesseur 202
constituant le circuit de traitement des données. L'entrée de
25 l'alimentation générale 201 est, par exemple, la tension à
220 volts du réseau.
Le microprocesseur 202 reçoit, par l'intermé
diaire d'un convertisseur analogique/numérique 203 les si
gnaux du capteur transmis par la ligne 300 reliée à un cir
30 cuit d'entrée 204.
Les données traitées par le microprocesseur 202 à
partir des informations fournies par le convertisseur analo-
gique/numérique 203 sont transmises soit â un moyen de re-
layage 205 qui gère les différentes commandes pour la mise en
35 route d'alarmes en cas de dépassement des seuils de turbidité
ou de pompes et notamment de pompes de circulation et de re-
levage.
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Le microprocesseur 202 fournit également les in-
formations à un moyen d'affichage 206 permettant d'afficher
immédiatement la turbidité mesurée.
Le microprocesseur 202 est reliê â une sortie
d'enregistreur par un convertisseur numérique/analogique 207
et un circuit entrée/sortie 208. Enfin, le microprocesseur
202 est relié par une interface 209 à une sortie RS 232C as
surant la liaison avec un ordinateur ou un automate.
Suivant les analyses de fluide à réaliser,
l'appareil peut donner des mesures de turbidité ou effectuer
un comptage de particules, donnant un histogramme ou une
moyenne ainsi que d'autres informations accessoires comme par
exemple le débit et la température du fluide.
La figure 3 montre un exemple de capteur de
z5 l'appareil de mesure selon l'invention.
Ce capteur 100 se compose d'un ensemble cylindri-
que avec un ajutage d'entrée 131 et de sortie 132, par exem-
ple filetés, par lesquels on raccorde le capteur 100 sur une
conduite principale si le débit de liquide n'est pas impor-
2o tant ou en dérivation de la conduite principale si le débit
de fluide dans la conduite principale est important.
Ce capteur 100 comprend un corps 132 dans lequel
est réalisê un passage dëbouchant à l'entrée 131 et à la sor-
tie 132. En travers de ce passage, il y a un logement trans-
25 versa! qui reçoit la source 133 munie de son optique 134,
l'ensemble étant placé dans ce logement étagé et y est fixé.
L'alimentation de la .diode constituant la source
133 n'apparaît pas dans ce dessin.
La diode 133 dirige son faisceau à travers le
30 passage 135 parcouru par le milieu â mesurer. De l'autre côté
et de manière alignée avec la diode 133, se trouve le détec
teur 136 en forme de photodiode ; cette photodiode 136 est
bloquée dans un logement par un écrou d'arrêt 137 de même que
la source est bloquêe dans son logement par un écrou 138.
35 Le débitmètre 140 et la sonde de température 150
sont également prévus dans cet exemple.
Le capteur 100 comporte également une carte 139
munie de la partie du circuit de traitement qui doit être si-
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tuée à proximité immédiate de la source de signaux, c'est-à-
dire la diode 133 et le photodiode 136. Le circuit comprend
ainsi l'alimentation de régulation de la source, un filtre
suivi d'un amplificateur et l'unité de sortie.
Le câble 300 sortant du capteur est également re-
présenté dans cette figure.
Selon la construction de ce mode de réalisation,
le capteur proprement dit est monté entre deux flasques 141,
142, non symétriques mais cylindriques, et qui portent l'une
l'embout d'entrée 131, l'autre l'embout de sortie 132. Ces
flasques sont réunis par des vis. I1 y a également des joints
d'étanchéité 143 qui ferment l'ensemble de manière étanche.
Selon l'exemple de réalisation, la source 133, sa
lentille et le détecteur, sont alignés à l'équerre par rap
port à l'axe de circulation du fluide à l'intérieur du boî
tier.
Selon le mode de réalisation, les flasques
d'extrémité sont en PVC. Elles sont maintenues chacune par
des vis 145.
2fl Le boîtier proprement dit peut avoir un corps en
laiton et l'enveloppe en PVC. Dans le cas d'un milieu agres-
sif, l'ensemble sera en acier inoxydable.
Le capteur selon l'invention permet de mesurer,
suivant le modèle théorique qu'il contient, des turbidités
différentes. Ainsi, il peut mesurer .
- une eau ou un fluide très purs dans la gamme des O à 3
F.A.U.,
- de l'eau débarrassée de ses impuretés qui correspond à la
gamme F.A.U. 0-30,
- des eaux chargées en impuretés correspondant à la gamme
F.A.U. 0 à 300 et
- des eaux très chargées pour la gamme F.A.U. comprise entre
0 et 3000 F.A.U.
Le capteur et par suite l'appareil de mesure se
lon l'invention, fonctionnent en continu et permettent de
surveiller en continu un fluide gazeux ou liquide.
La figure 4 montre un exemple d'implantation d'un
capteur 100 et de son circuit d'exploitation 200, en dériva-
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tion 401 sur une conduite importante 400. Le capteur 100 in-
tégré à la dérivation 401 est relié au circuit d'exploitation
. 200 par le câble 300. Le capteur 100 se situe dans
l'installation industrielle alors que le circuit
d'exploitation 200 est de préférence situé dans un emplace-
ment protégé tel qu'une salle de contrôle regroupant les dif-
férents tableaux de commande de l'installation.
Le circuit d'exploitation 200 selon cet exemple
comporte un afficheur avec un menu dêroulant.
Le capteur décrit ci-dessus se nettoie facilement
par un moyen mécanique tel qu'une brosse ou un goupillon que
l'on introduit dans le passage 111, 135 ou encore par un
émetteur d'ultrasons intégré dans le capteur.
