Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02805205 2013-01-11
WO 2012/010748 PCT/FR2011/000420
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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
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.
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
de détection.
De 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.
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,
- 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. Il n'est pas possible d'estimer le moment où elles deviennent
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.
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
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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 pour analyser un milieu comporte :
- une première cellule qui comprend une face active, un premier module
d'émission apte à émettre un faisceau lumineux, et un premier module
de détection apte à produire un premier signal de détection, le faisceau
lumineux issu dudit premier module d'émission traversant deux fois le
milieu à analyser avant d'atteindre ledit premier module de détection,
- une deuxième cellule qui comprend une face active et un deuxième
module de détection apte à produire un premier signal de monitoring du
premier module d'émission, le faisceau lumineux issu dudit premier
module d'émission traversant une seule fois le milieu à analyser avant
d'atteindre ledit deuxième module de détection, la face active de la
premier cellule et la face active de la deuxième cellule délimitant le
milieu à analyser,
- un circuit de contrôle pour produire un premier signal de mesure par
pondération dudit premier signal de détection au moyen dudit premier
signal de monitoring,
caractérisée en ce que, ladite deuxième cellule comprenant un
deuxième module d'émission, ledit deuxième module de
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2a
détection est apte à produire un deuxième signal de détection, et ledit
premier
module de détection est apte à produire un deuxième signal de monitoring dudit
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 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-à-vis.
A titre d'exemple, le premier signal de mesure Qm vaut le rapport du signal
de détection au signal de monitoring.
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Avantageusement, le circuit de contrôle ayant en mémoire les valeurs
suivantes :
- une mesure de référence Qr,
- une absorption de référence Ar,
- une longueur caractéristique Lc,
le terme Ln signifiant logarithme népérien,
ce circuit de contrôle produit une valeur d'absorption Am 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 K1 , K2, d'une température de calibration 80 et de la
température 8 à laquelle est réalisée la mesure à partir de l'expression
suivante :
Qm(&)/Q00)=exp((Ar-Am).Lc).(-4-K1) 0+K1).(h+IC2)0+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 qui 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 :
0 la figure 2a, une première option,
0 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
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.
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Elles sont reliées par un moyen de liaison qui prend ici la forme d'un
longeron
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 Dl.
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 HI. 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 premier détecteur Di 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 DI. 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
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.
Le milieu à analyser étant un fluide, les cellules CI, 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
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.
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De préférence, dans le souci d'optimiser les performances de la sonde,
le deuxième détecteur 02 est identique au premier Dl. De même, les deux
hublots H1, H2 sont de même nature.
L'agencement mécanique de la sonde est ainsi fait que le faisceau
5 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 Dl.
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 HI. Ce faisceau atteint ensuite la première plaque
partiellement
réfléchissante PR1 sur laquelle il est pour partie transmis au premier
détecteur
D1 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 Hl, H2 sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de la
sonde. La configuration permettant d'éclairer les deux détecteurs D1, 02
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 D1 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
02.
Il produit un coefficient d'absorption A ou toute valeur intermédiaire
permettant d'obtenir ce coefficient.
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Les notations suivantes sont maintenant adoptées :
- 10, intensité émise par le premier module d'émission LED1
- 11, intensité reçue par le premier détecteur D1, 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
d'absorption qui dépendent quant à eux de propriétés physico-chimiques du
milieu analysé.
L'intensité reçue par le deuxième détecteur vaut :
12=10.T.G2.exp(-A.Lc)
L'intensité reçue par le premier détecteur vaut :
11 =IO. R.G1 .exp(-2A.Lc)
Il 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:
- 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,
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- un miroir recouvrant partiellement ce hublot.
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
CC.
La calibration dans le milieu de référence donne la mesure de référence
Qr
Qr=K.exp(-Ar.Lc)
Cette mesure de référence est également mémorisée par le circuit de
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
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
le rapport du signal de mesure Qm à la mesure de référence Or:
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.
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
à la même température.
On admet une variation linéaire des intensités en fonction de la
température 9, ces variations étant quantifiées au moyen de quatre constantes
a, p, x et
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L'intensité reçue par le deuxième détecteur D2 vaut maintenant :
12(8)=10.T.G2.exp(-A.Lc).(e+5) [3]
L'intensité reçue par le premier détecteur vaut :
I 1 (8)= IO. R.G 1 .exp(-2A.Lc).(a8+[3) [4]
La mesure Q(&) vaut toujours le rapport de l'intensité reçue par le
premier détecteur Dl à celle reçue par le deuxième détecteur D2:
Q(8)=11(8)/12(S)
Q(8)=K.exp(-A.Lc).(a+P)/(x8+5)
La calibration est alors pratiquée dans un milieu de référence dont on
connaît l'absorption à la température de calibration 50:
Q(80)-= K.exp (-Ar. Lc) .(a80-1-13)/(x80+5)
La mesure dans le milieu à analyser à la température 8 donne le signal
de mesure Qm(8) :
Qm(s)=K.exp(-Am.Lc). (oc-113)/(xS+8)
Il vient que :
Qm(8)/Qr(80)=exp((Ar-Am).Lc).(a&A-P)/(xS+5).(e0+8)/(a&04)
Qm(8)/Qr(80)=exp((Ar-Am).Lc).(S+P/a)/(So-f-p/a)00+8/x)/(S+8/x)
La détermination de f3/a et 5/x se fait de manière expérimentale. Pour un
liquide dont l'absorption ne varie pas avec la température, on établit la
caractéristique de l'intensité Hm reçue par le premier détecteur Dl en
fonction
de la température a au moyen de deux constantes a et b:
11 (&)=a8+b
En identifiant cette équation avec l'équation [4], il vient que :
a=10.R.G1.exp(-2A.Lc).a
b=10.R.G1.exp(-2A.Lc).13
On en déduit aisément le rapport K1=f3/a qui est égal au rapport b/a.
On procède ensuite de la même manière en établissant la caractéristique
de l'intensité 12(5) reçue par le deuxième détecteur D2 en fonction de la
température a pour obtenir le rapport K2=8/x.
Ces deux rapports KI et K2 caractérisant les variations de la
température sont mémorisés dans le circuit de contrôle CC, tout comme la
température de calibration So. De plus, un capteur (non représenté) informe ce
circuit de contrôle CC sur la température 8 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
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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.
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.
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 â
l'axe de la sonde et en disposant les deux détecteurs Dl, D2 ainsi que les
deux
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
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
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 semi-
3 0 réfléchissante SR. La géométrie du montage est ainsi faite que le
faisceau issu
de la première source SEa traverse la lame semi-réfléchissante SR pour
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
Dl.
=
Généralement, les deux sources lumineuses sont centrées sur deux
longueurs d'onde distinctes. L'invention s'applique également si elles
émettent le
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
5 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
10 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.
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