Appareil pour la détermination de la densité, concentration, masse volumique, etc., d'un liquide La présente invention concerne un appareil pour
la détermination de la densité, de la concentration,
de la masse volumique, etc., d'un liquide par l'emploi d'un système optique.
On connaît déjà un appareil pour la détermination
de la densité, de la concentration, de la masse volumique, etc. d'un liquide par l'emploi d'un système optique.
Cet appareil comprend un corps susceptible de transmettre de la lumière, plongé dans le liquide à tester et comportant une surface de paroi interfaciale en contact avec
le liquide. De la lumière est émise contre la surface
de paroi interfaciale et la lumière réfléchie sur cette dernière est reçue par un élément récepteur de lumière. La quantité de la lumière réfléchie est utilisée pour déterminer la densité, la concentration, la masse volumique, etc., du liquide. Cependant, l'appareil en question est imprécis, étant donné que son élément récepteur de lumière reçoit non seulement la lumière réfléchie, mais également de la lumière externe et qu'il est fortement influencé par la lumière externe, en particulier lorsque la quantité de la lumière réfléchie est faible .
Afin de pallier ce problème, la demande de brevet japonnais mise à la disposition du public, numéro de publication 139 560/1978 (demande non examinée) propose la réalisation d'un miroir réflecteur sur la surface de paroi interfaciale pour parvenir à la réflexion totale
de la lumière incidente, afin de minimiser la réduction de la quantité de lumière réfléchie. Cependant, ce miroir est difficile à monter et possède un angle d'incidence fixe qui ne permet la réflexion totale
de la lumière incidente que dans des conditions spécifiques. Par conséquent, seul un faible changement apparaît dans la quantité de lumière et les résultats
de la mesure sont encore fortement affectés par la lumière externe. Ceci abaisse la précision de l'appareil. Au surplus, l'appareil est d'une fabrication difficile pour un coût raisonnable.
Face aux inconvénients de la technique antérieure tels qu'esquissés ci-dessus, la présente invention a plus particulièrement pour objet un appareil du type décrit plus haut qui possède une surface de paroi interfaciale façonnée de telle façon qu'elle permette l'emploi efficace d'une réflexion totale afin d'empêcher de cette façon dans la mesure du possible toute réduction de la quantité de lumière réfléchie, l'appareil conforme à l'invention étant d'une fabrication aisée.
La présente invention a aussi pour objet un
appareil du type décrit plus haut qui possède un degré
de précision amélioré.
D'autres objets de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit faite en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue en élévation latérale représentant une partie essentielle d'un appareil conforme à la présente invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe prise le long de la ligne X-X de la figure 1 ;
- la figure 3 représente une vue en élévation latérale d'un autre appareil conforme à la présente invention ;
- la figure 4 représente une vue en coupe prise le long de la ligne X-X de la figure 3;
- la figure 5 représente une vue en élévation latérale montrant une forme modifiée d'un corps permettant la transmission de lumière qui constitué un organe essentiel de l'appareil suivant la présente invention et
- la figure 6 représente une vue similaire à celle de la figure 3, mais montrant une autre forme de réalisation de l'invention.
En se reportant à présent plus précisément aux figures 1 et 2 des dessins ci-annexés, on voit un liquide <EMI ID=1.1>
un corps 2 permettant la transmission de lumière, plongé dans le liquide précité et possédant un indice de réfraction n2 qui est supérieur à celui du liquide 1.
Le corps permettant la transmission de lumière 2 est réalisé en une matière plastique ou verre optique ou
en une matière analogue et possède une entrée de lumière 3, une sortie de lumière 4 et une surface de paroi interfaciale 5 entre elles. L'entrée 3 fait face à une source de lumière 6 et une lentille 7 est disposée entre l'entrée 3 et la source de lumière 6, cependant qu'un élément récepteur de lumière 8 fait face à la sortie 4. L'entrée 3 possède une paire de surfaces de parois de guidage 9 et 10, tandis que la sortie 4 comporte de manière similaire une paire de surfaces de parois de guidage 11 et 12. Par conséquent, le corps 2 définit un trajet pour la lumière, possédant une zone de réflexion
et des zones de transmission. La lumière émise par la source 6 est convertie en rayons parallèles en passant
à travers la lentille 7, pénètre dans le corps 2 par son entrée 3 et est réfléchie sur la surface de paroi interfaciale 5. La lumière réfléchie quitte le corps 2 par sa sortie 4. Chacune de l'entrée 3 et de la sortie 4 peut constituer une partie intégrante du corps 2,
<EMI ID=2.1>
l'entrée et la sortie peuvent, en alternative, aussi
être constituées d'un élément séparé formé à partir d'un bon conducteur de la lumière, comme une fibre optique et être raccordés au corps 2, par exemple, en manière telle que les conducteurs puissent être réalisés entre l'entrée 3 et la source 6 et entre la sortie 4 et l'élément récepteur de lumière 8. Dans ce dernier cas, le corps 2 peut plus efficacement recueillir la lumière à partir
de la source 6.
Le corps permettant la transmission de lumière 2 possède une surface plane 13 dans une zone située entre l'entrée 3 et la sortie 4 et éloignée de la surface de paroi interfaciale 5. Cette surface plane 13 ne participe pas directement à la mesure. La surface de paroi 5 possède un contour arqué formant une partie d'un cercle imaginaire dont le centre et le rayon sont montrés en 0 et R, contour le long duquel la lumière progresse vers l'élément récepteur de lumière 8 et auquel les parois de guidage 10 et 12 sont tangentielles.
La forme de la surface de paroi 5 est choisie de façon à garantir que la totalité des rayons progressant en ligne droite à travers l'entrée 3 soient effectivement réfléchis dans des conditions prescrites. Si la lumière L avançant tout droit le long de la paroi de guidage 9 est réfléchie au point P sur la surface de paroi 5, une ligne droite raccordant le point central 0 et le point P définit une ligne normale M et la lumière L et la ligne normale M définissent entre elles un angle d'incidence Si l'angle � est supérieur à l'angle critique, mais plus petit qu'un angle droit, la lumière L est totalement réfléchie au point P. La configuration arquée de la surface de paroi 5 doit être façonnée de façon à se conformer à ces conditions.
D'autre part, si la lumière L' progressant en ligne droite le long de la paroi de guidage 10 est réfléchie au point Q sur la surface de paroi 5, une ligne droite raccordant les points 0 et Q définit une ligne normale N et la lumière L'et la ligne normale N définissent
<EMI ID=3.1>
totalement réfléchie au point Q si l'angle d'incidence n'est pas supérieur à un angle droit. La forme de
la surface de paroi 5 doit également satisfaire ces conditions.
Ceci signifie que tous les rayons de lumière entre la lumière L et la lumière L' sont totalement réfléchis sur la surface de paroi 5 dans les conditions prescrites, pour autant que la surface de paroi 5 ait un contour arqué faisant partie d'un cercle imaginaire passant par les points P et Q.
La ligne normale N et la lumière L' définissent entre elles un angle droit et la ligne normale N et la lumière L définissent également un angle droit entre elles. La ligne normale N et la lumière L ont une intersection S entre elles. La distance OS entre les points 0 et S est égale
à R sin � et le rayon R du cercle imaginaire est égal à la distance OS entre les points 0 et S plus l'épaisseur
t du corps 2 entre les parois de guidage 9 et 10. Par conséquent, le rayon R peut être obtenu à partir des équations (1) et (2) qui suivent :
<EMI ID=4.1>
La longueur 1 de l'arc PQ défini entre les points P et Q est exprimée par l'équation suivante :
<EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
définissent entre elles au point 0.
L'invention sera à présent, décrite à titre d'exemple en se référant à l'application d'un corps permettant la transmission de la lumière 2 réalisé en verre, à une solution de sucre possédant une concentration de 0 à
<EMI ID=7.1>
tandis qu'une solution de sucre possédant une concentration de 0 %, c'est-à-dire de l'eau pure, possède un indice de réfraction n1 de 1,330 à 20[deg.]C.
Si l'angle d'incidence p de la lumière L est égal
à l'angle critique et si l'épaisseur t entre les parois
de guidage 9 et 10 est de 3 mm, l'angle critique a s'exprime comme suit :
<EMI ID=8.1>
Le rayon R définissant le contour arqué de la surface de paroi 5 peut s'obtenir par l'équation (2) comme suit :
<EMI ID=9.1>
La longueur 1 de l'arc entre les points P et Q est la suivante :
<EMI ID=10.1>
Par conséquent, l'appareil conforme à la présente invention qui convient à la détermination de la concentration d'une solution de sucre possédant une concentration de 0 à 65 %, peut comprendre une surface de paroi interfaciale arquée faisant partie d'un cercle imaginaire possédant un rayon de 24,01 mm et possédant une longueur d'arc (1) de 12,13 mm et une entrée de lumière 3 et une sortie de lumière 4 chacune d'une largeur de 3 mm et raccordées aux extrémités opposées respectivement de la surface arquée qui y est tangentielle.
Ce qui suit est l'explication de la mesure de la concentration de la solution de sucre susmentionnée à l'aide de l'appareil décrit plus haut.
La surface de paroi arquée 5 du corps permettant
la transmission de lumière 2 est amenée au contact du liquide 1 à examiner ou plongée dans ce liquide qui, dans le cas présent, est une solution de sucre. Si la solution de sucre possède une concentration de 0 %, tous les rayons émis par la source de lumière 6 et progressant en ligne droite à travers l'entrée 3 sont totalement réfléchis
sur la surface de paroi 5 dans la zone possédant une lon-
<EMI ID=11.1>
lumière réfléchie passe à travers la sortie 4 et atteint l'élément récepteur de lumière 8. Dans ce cas, la plus grande quantité de lumière réfléchie est reçue par l'élément 8.
Lorsque la concentration de la solution de sucre servant de liquide 1 à examiner s'accroît, l'angle critique a, qui dépend du corps permettant la transmission de lumière 2 et de la concentration de la solution,varie. L'angle critique a augmente avec une élévation de la concentration en sucre dans la solution et il se produit en conséquence une réduction graduelle dans cette zone dans la partie PQ de la surface de paroi 5 dans laquelle l'angle d'incidence de la lumière excède l'angle critique. La lumière devient graduellement inapte à satisfaire la règle de réflexion totale, en commençant avec les rayons proches de la lumière L progressant en ligne droite le long de la paroi de guidage 9. Par conséquent, la quantité de la lumière réfléchie reçue par l'élément 8 manifeste une réduction graduelle. Ces modifications sont présentées dans le tableau.
Les données qui s'y trouvent attestent la précision de l'appareil, étant donné qu'une modification de la concentration en sucre de la solution engendre une forte variation de la force électromotrice
(mV) engendrée dans l'élément récepteur de lumière qui est sensible au changement de la concentration en question. Le tableau établit la relation qui existe entre la concentration de sucre dans la solution et la force électromotrice (mV) engendrée dans l'élément récepteur de lumière. Ces résultats ont été obtenus en se servant d'une lampe NATIONAL MB-22N (marque de fabrique) possédant une tension de 2 volts appliquée à titre de source de lumière 6 et
un dispositif OMRON EE-66 (marque de fabrique) possédant une impédance de 150 ohms à titre d'élément récepteur de lumière 8.
TABLEAU
<EMI ID=12.1>
Le modèle de l'appareil décrit ci-dessus à titre d'exemple est basé sur.l'angle critique a obtenu sur la base de l'indice de réfraction (ni) d'une solution de sucre possédant la concentration minimale, c'est-à-dire
<EMI ID=13.1>
dant pas toujours le cas, mais le modèle du corps permettant la transmission de lumière peut avoir à être basé sur l'angle critique a obtenu sur base de l'indice de réfraction (n2) correspondant à la valeur minimale de la gamme des concentrations à mesurer. Dans l'éventualité où seule une valeur particulière de concentration est à mesurer, l'indice de réfraction (ni) qui y correspond peut être utilisé comme base pour le modèle du corps permettant la transmission de lumière.
L'appareil suivant la présente invention, qui est conçu, réalisé et utilisé de la manière décrite plus haut, donne une précision élevée lors de la détermination de n'importe quelle valeur inconnue de concentration, pour autant que la force électromotrice engendrée dans l'élément récepteur de lumière soit préalablement mesurée pour chaque valeur de concentration à déterminer.
Ainsi qu'il ressort de toute évidence de la description susmentionnée, l'appareil conforme à la présente invention se caractérise en ce que le corps permettant
la transmission de lumière qui est plongé dans ou mis en contact avec le liquide à examiner, possède une surface de paroi interfaciale de forme arquée ayant un rayon R choisi en relation avec l'angle critique a obtenu à partir de l'indice de réfraction (ni) du liquide et de l'indice de réfraction (n2) du corps permettant la transmission
de lumière, de façon à définir un angle d'incidence
qui permette la réflexion maximale de lumière sur la surface de paroi interfaciale. Conformément à l'appareil représenté sur la figure 1, la lumière réfléchie sur la surface de paroi interfaciale 5 est directement reçue dans l'élément récepteur de lumière. En alternative, il est également possible de mettre la présente invention
en oeuvre sous la forme d'un appareil qui détermine la concentration, etc., d'un liquide, en comparant la lumière réfléchie sur la surface de paroi 5 et la lumière qui ne passe pas à travers le corps permettant la transmission de lumière 2, comme les figures 3 et 4 le représentent
à titre d'exemples.
En se référant par conséquent plus précisément aux figures 3 et 4, on voit qu'une masse de fibre optique 14 définit une entrée de lumière et qu'une masse de fibre optique 15 définit une sortie de lumière. Elles sont raccordées aux extrémités opposées respectives du corps permettant la transmision de lumière 2. La fibre optique
14 possède une autre extrémité raccordée à une source de lumière 6. La fibre optique 5 possède une autre extrémité raccordée à une partie 16a d'un élément récepteur
de lumière 16. Une masse de fibre optique 17 s'étend entre la source de lumière 6 et une autre partie 16b de l'élément 16. Un dispositif réducteur de lumière 20 est prévu en regard de la source de lumière 6 dans le but de corriger la différence de brillance ou d'éclat entre la lumière 18 passant à travers le corps 2 et celle réfléchie sur la surface de paroi 5 et atteignant la partie 16a et la lumière passant directement de la source de lumière 6
à l'autre partie 16b. La concentration, etc., du liquide est déterminée sur base de la quantité de cette correction. L'appareil représenté sur les figures 3 et 4 donne un degré élevé de précision pour la détermination de la concentration, de la densité, de la masse volumique etc., d'un liquide.
En se référant à la figure 5, on voit que le corps permettant la transmission de lumière 2 qui y est représenté comporte une surface de paroi interfaciale 5 possédant un contour semi-circulaire dans la direction du trajet d'avancement de la lumière et qu'il est, par conséquent, de.construction compacte.
On attire à présent l'attention sur la figure 6 qui représente une forme modifiée de l'appareil montré sur la figure 3. L'appareil comprend une paire de boîtiers
21 et 22, placés l'un sur l'autre et raccordés de manière à pouvoir s'ouvrir par une articulation 23. Le boîtier
22 possède un évidement 24 qui est complémentaire de la surface de paroi arquée 5 du corps permettant la transmission de lumière 2, afin de contenir le liquide 1 à examiner. Une batterie 25 à raccorder à la source de lumière 6 et un appareil de réglage de la tension 26
sont disposés dans le boîtier 22. La notation de référence 27 désigne un fil conducteur pour la source de lumière. Dans le cas de cet appareil, le liquide 1 à examiner est extrait et introduit dans l'évidement 24. Cet appareil est de construction compacte et est portable. Bien que l'on ait décrit l'invention ci-dessus en se référant à plusieurs de ses formes de réalisation, il
est bien évident que de nombreuses modifications ou variantes peuvent y être aisément apportées par n'importe quel spécialiste ordinaire de la technique, sans pour autant sortir du cadre et de l'esprit de l'invention.
Les modifications suivantes sont, par exemple, du domaine du possible.
1. La surface de paroi entière 5, à l'exception de la zone entre les points P et Q, peut être traitée d'une manière n'empêchant pas la réflexion de la lumière, par exemple, masquée ou recouverte d'une peinture, tandis
que seule la zone entre les points P et Q peut être transparente. Cet agencement contribue à empêcher toute réduction supplémentaire de la quantité de lumière réfléchie.
2. Bien que dans les formes de réalisation décrites ci-dessus, l'angle d'incidence P défini entre la lumière
L et la ligne normale M soit égal à l'angle critique a,
il est possible d'utiliser un angle d'incidence P supérieur à l'angle critique a.
3. La distance t entre les parois de guidage 9 et 10 dans l'entrée de lumière peut être amenée à varier de façon appropriée.
Ainsi qu'il ressort de toute évidence de la description qui précède, l'appareil suivant la présente invention peut servir à la détermination précise de la densité, de la concentration, de la masse volumique,
etc., d'un liquide, étant donné que la réflexion totale
de la lumière incidente sur la surface de paroi arquée dans des conditions prescrites minimise une réduction de la quantité de lumière réfléchie, de façon à garantir une forte variation de la quantité de lumière reçue par l'élément récepteur de lumière. Au surplus, l'appareil suivant l'invention est d'une fabrication aisée.
<EMI ID=14.1>
REVENDICATIONS
1. Appareil destiné à déterminer la densité, la concentration, la masse volumique, etc., d'un liquide, ledit appareil comprenant un corps permettant la transmission de lumière possédant une entrée de lumière, une surface de paroi interfaciale et une sortie de lumière, ledit corps possédant un indice de réfraction qui est supérieur à celui du liquide, ledit corps étant amené
en contact avec le liquide précité et de la lumière étant émise contre ladite surface de paroi, la lumière réfléchie sur ladite surface de paroi étant reçue par
un élément récepteur de lumière, de façon qu'au moins
des paramètres précités choisis parmi la densité, la concentration, la masse volumique, etc., puisse être déterminé sur base de la quantité de ladite lumière réfléchie, l'appareil étant caractérisé en ce que la surface de paroi interfaciale précitée le long de laquelle la lumière progresse en direction de l'élément récepteur de lumière possède un contour arqué ayant un rayon choisi de façon à garantir que la lumière avançant en ligne droite le long d'une paroi de guidage pour ladite entrée de lumière éloignée de la surface de paroi interfaciale précitée, possède un angle d'incidence supérieur à l'angle critique défini par ledit liquide et ledit corps et inférieur à un angle droit.