EP0647316A1 - Dispositif integre pour la detection et l'identification instantanees d'une entite - Google Patents

Dispositif integre pour la detection et l'identification instantanees d'une entite

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Publication number
EP0647316A1
EP0647316A1 EP94914451A EP94914451A EP0647316A1 EP 0647316 A1 EP0647316 A1 EP 0647316A1 EP 94914451 A EP94914451 A EP 94914451A EP 94914451 A EP94914451 A EP 94914451A EP 0647316 A1 EP0647316 A1 EP 0647316A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spectra
spectrum
signals
sample
polychromator
Prior art date
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Ceased
Application number
EP94914451A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claude Fachinger
Michel Martin-Bouyer
Emmanuel Naffrechoux
Jo[L Suptil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite Savoie Mont Blanc
Original Assignee
Universite Savoie Mont Blanc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Savoie Mont Blanc filed Critical Universite Savoie Mont Blanc
Publication of EP0647316A1 publication Critical patent/EP0647316A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
    • G01N21/274—Calibration, base line adjustment, drift correction

Definitions

  • the invention relates to an integrated and compact device making it possible to carry out the qualitative and quantitative identification of one or a plurality of physico-chemical entities included in a fluid, and this instantaneously.
  • the object of the invention is to provide a device capable of processing online and instantaneously information from multi-wavelength detectors, and in particular to provide, in addition to qualitative indications, also the concentration of certain chemical species pre- determined, and this, directly from a raw medium, that is to say free from any prior physical and or chemical treatment, and therefore, estimate the quality of a sample by comparing the information thus collected with that contained in a database, so as to constitute a compact and integrated expert system capable of being used on site.
  • This integrated device for instantaneous qualitative and quantitative identification of one or a plurality of physico-chemical entities contained in or on a sample, and capable of restoring one or more emission, absorption or reflectance spectra under the excitation of an electromagnetic wave, is characterized in that it includes within a shielded box:
  • a polychromator at which the emission, absorption or reflectance spectra or spectra of the analyzed sample is routed, and intended, in known manner, to decompose this or these spectra into a series of optical signals of discrete variation wavelength
  • a device for detecting optical signals positioned on the optical path of the signals coming from the polychromator, and intended to transform said optical signals into analog signals
  • a transformation circuit coupled to said detection member, and intended to transform said analog signals into digital signals
  • a central unit integrating into an associated memory a plurality of typical spectra representative of known and predetermined entities, and intended to simultaneously analyze the digital spectra thus obtained, and to compare after decorrelation these spectra with the spectra stored in said memory, and to deduce from this comparison the nature and the concentration of the predetermined physico-chemical entity or entities in the sample.
  • the invention consists in using as an information source the emission, absorption or reflection spectra of the medium or of a sample of the medium analyzed, and in decorrelating these spectra in order to determine the species present, responsible for color.
  • This spectral analysis is carried out instantaneously and independently of any prior treatment at the level of the medium studied, so that a very rapid response can be obtained, and therefore using this device to any type of expert system.
  • all of the constituents of this box being integrated within a shielded box, the analyzes carried out are free from any alteration inherent both in magnetic fields, in electric fields, and in external pressure variations.
  • the invention consists in integrating, within the same device, in an otherwise compact form, different organs capable of analyzing a whole absorption or emission spectrum, and of determining the nature and the respective quantity of a certain number of predetermined entities contained in the analyzed sample.
  • the result of this analysis obtained directly in the clear, causes the central unit to induce the automatic triggering of sensory signals or the activation of specific organs, motors, robots, ...
  • this device it is thus possible to obtain an immediate online analysis, and therefore to induce according to this analysis the activation of any associated organ, within the framework of security, alert, etc.
  • the circuit for detecting the optical signals from the polychromator is constituted by a photodiode array or by a charge transfer circuit (CCD type circuit), or by any other detector capable of delivering an analog or digital signal referring to a wave length.
  • CCD type circuit charge transfer circuit
  • the acquisition of the emission, absorption or reflection spectrum of the analyzed sample consists, if this sample is liquid, by a dosing tank comprising at least two parallel quartz walls, transparent to the excitation beam. electro-magnetic, these walls possibly being virtual and powered by fiber optic devices for example.
  • the tank In the context of acquiring a spectrum of a gas sample, the tank is replaced by a multiple reflection tank, also transparent to the excitation beam.
  • the device also includes an integrated electrical power generator, for example consisting of a plurality of photoelectric cells, positioned outside the housing, so as to make this device autonomous , thus promoting its use on site.
  • an integrated electrical power generator for example consisting of a plurality of photoelectric cells, positioned outside the housing, so as to make this device autonomous , thus promoting its use on site.
  • the device according to the invention and schematically represented in FIG. 1 basically comprises an enclosure or case (1), comprising an opening at the level of which is conveyed by means of a collimator (2) and a lens (3 ), the emission or absorption spectrum emitted by a liquid or gaseous sample.
  • This box is shielded, so that the internal volume it delimits is insensitive both to magnetic and electric fields, as to variations in external pressures.
  • it is also impervious to light, except through the opening that it presents, but also to liquids. In this way, this device can perfectly be used in a hostile atmosphere, in particular industrial or natural, which the devices known to date did not allow to obtain.
  • This spectrum is routed by any known means, and in particular by means of an optical fiber or a plurality of optical fibers.
  • the arrival of this spectrum at the level of the objective (3) of the collimator (2) has been represented by the arrow A.
  • the electromagnetic wave supporting this spectrum is then reflected by a mirror (4) at the level of a polychromator (5), constituted for example by a plane field network, intended to diffract the electromagnetic waves which reach it in a plurality of monochromatic beams of wavelength as a function of the diffraction angle.
  • a polychromator (5) constituted for example by a plane field network
  • These different beams end up on a linear array of 512 photo ⁇ diodes (6), intended to transform the electromagnetic signal received into a analog signal, representative of the light intensity of said electromagnetic signal.
  • the array of photodiodes (6) .. or any other equivalent device restores an analog spectrum, from a spectrum decomposed by the polychromator into a discrete sequence of wavelengths.
  • the analog signals coming from sensors are converted into digital signals, by means of an analog converter / digital integrated into said sensor, and for example plugged into it.
  • an analog converter / digital integrated into said sensor can be in the form of an electronic card, of very particularly compact dimensions.
  • the bar is replaced by a charge transfer device (CCD), which in known manner, directly transforms electromagnetic signals into digital signals.
  • CCD charge transfer device
  • the digital signals thus obtained are then processed at a central processing unit (7), typically consisting of a plurality of electronic cards, always with the same aim of achieving optimal compactness of the device.
  • This unit integrated in the enclosure (1) of the device, comprises an associated memory at the level of which is stored a plurality of spectra representative of predetermined physical or chemical entities.
  • suitable software is loaded into this processing unit (7), and is intended to compare the spectrum from the charge transfer circuit or the array of photodiodes, to the different spectra stored in the associated memory. To do this, the absorbance measured for a determined wavelength is considered to be equal to the sum of the absorbances of the different chemical entities present in the sample, plus a contribution from the spectral background from the interference.
  • An appropriate digital processing carried out at said processing unit (7) compares the absorbance values measured for said determined wavelength with that of a file contained in the associated memory integrating the absorbtivity values of the constituents to dose. This calculation leads to a precise value of the concentration of the constituent sought. The consistency between the measurement and the model is ensured by the use of multimodel systems, known per se, which adjust the measured and calculated values of the absorbance.
  • connection method used namely direct connection
  • both of the analog / digital converter unit and on the detector unit (6), as well as of the cards making up the micro-controller (7) on the Said converter member it is thus possible to accelerate the speed of analysis, and to get rid of any signal distortions inherent in the background noise, which interfere with the measurements.
  • an exciting incident beam typically constituted by ultra-violet or laser radiation
  • an in situ analysis can be carried out by means of a highly collimated laser beam, and this in the context of ambient air pollution controls, in particular in an industrial or urban environment.
  • a first application of this device consists in operating an instant dosage of defined chemical species, such as in particular nitrates, phenol, hexavalent chromium, metals - such as iron, copper, manganese, lead, zinc, cadmium. - organic products, chlorides, borates, phosphates, ammonium, etc .... and this in a liquid sample.
  • defined chemical species such as in particular nitrates, phenol, hexavalent chromium, metals - such as iron, copper, manganese, lead, zinc, cadmium.
  • organic products chlorides, borates, phosphates, ammonium, etc .... and this in a liquid sample.
  • the device according to the invention provides a biological quality index, the result of which is obtained directly, either in plain text at the screen (9) associated with said central unit, or in the form of signals. digital or analog, capable of activating the triggering of other sensory signals, light or sound for example, or even the activation of particular organs.
  • the device is associated with an automatic control of industrial processes, in which the previous device is integrated into the circuits controlling the production of various products, in particular chemicals.
  • optical measurements can also be supplemented by the addition by the user or collected by the internal computer of external data, such as in particular those coming from flow measurement sensors and physical or physico-chemical data such as pH, rH (Redox potential), temperature, conductivity, quantity of dissolved oxygen, turbidity, in order to constitute an automatic "toximeter", ie a device capable of automatically and instantaneously measuring the toxicity of a given environment and in particular water.
  • an automatic "toximeter” ie a device capable of automatically and instantaneously measuring the toxicity of a given environment and in particular water.
  • the device of the invention can be coupled to a control network produced from a series of sensors transmitting by telephone, radio waves or even by satellite the data collected on the control sites, so as to be able to follow permanently the quality of industrial production, or the quality of natural waters in a watershed, or even the degree of air pollution of an industrial site or an agglomeration.
  • This application can also be used to determine the quality of the ambient air, especially in industrial premises.
  • an alert station is produced, capable of activating any triggering of an audible or visual alert, when a certain threshold is exceeded or of inducing the activation of motor organs, in the case of In this case, the closing of valves, the stopping of pumps for the drinking water supply network, or the launching of pre-established alert programs.
  • the color of the flame of a plasma torch varies according to the metals it encounters.
  • the device of the invention it is possible to control the machining installation in real time.
  • the color observed depends directly on the wavelengths of the corresponding absorption or emission spectra. In this area, the device can instantly analyze the plasma emission spectrum.
  • the device of the invention can also be used as a laboratory spectrophotometer, in particular in the context of analyzes in high pressure liquid phase chromatography, but also during the measurement of reaction kinetics, in spectroscopy.
  • this device can be used for the optical detection and identification of an entity and in particular in the context of identification and recognition of parts.
  • These parts advantageously receive an identifier, consisting for example of a patch of a few square millimeters, of any shape, but the color of which is specific and defined by its wavelength.
  • this patch has a typical and unique absorption and emission spectrum, due to the uniqueness of the multi-wavelength spectrum corresponding to the associated color.
  • a color code can then be edited, and serves as an identifier.
  • the application of a patch on the identified object can be avoided, the identifier being constituted by the object or the entity itself, insofar as the absorption spectrum or of emission linked to its color was previously carried out and listed.
  • this patch can be glued or fixed by any appropriate means to the object to be recognized.
  • this patch is uniformly covered with the color corresponding to a determined wavelength, in other words a pentome.
  • the device according to the invention aims first of all to capture the emission or absorption spectrum of this pentome, and this by means of an optical reader, consisting for example of a pencil.
  • the latter is equipped with a waveguide, typically made up of optical fibers, allowing, on the one hand, the lighting of the identifier by routing a polychromatic light beam from a source contained in said pencil, typically white light, and on the other hand, the transmission of waves reflected or transmitted by the identifier at a plane field network, intended, as already specified, to diffract the waves which reach it according to a plurality of monochromatic beams of wavelength as a function of the diffraction angle.
  • This network is integrated into the detection and identification device described above in conjunction with FIG. 1.
  • the microcomputer delivers a unique code or reference, strictly corresponding to the wavelengths of the color of the patch.
  • This code or this reference can be restored in multiple ways, and for example in visual, graphic form on a screen, or simply in analog or digital form in order to be transmitted to other organs, or devices capable of performing operations. determined once this particular code reaches them. We observe in this way that to a defined set of wavelengths corresponds a unique code. This process can therefore be applied to numerous uses and in different fields, in particular to the direct measurement of the pH of a colored solution.
  • the device of the invention makes it possible to have an intelligent optical scanner, insofar as it is capable of processing online and instantaneously the information coming from a multi-wavelength detector, capturing spectra electromagnetic emitted by all entities. It therefore constitutes the basis of an expert system, usable in a very large number of fields.

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Abstract

Ce dispositif intégré pour réaliser en instantané une identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico-chimiques contenues dans ou sur un échantillon, et susceptibles de restituer un ou plusieurs spectres d'émission ou d'absorption ou de réflectance sous l'excitation d'une onde électro-magnétique comprend au sein d'un boîtier blindé (1): un polychromateur (5) au niveau duquel est (sont) acheminé(s) le (les) spectre(s) d'émission, d'absorption ou de réflectance de l'échantillon analysé; un organe de détection (6) desdits signaux, positionné sur le chemin optique des signaux issus du polychromateur (5); un circuit de transformation (6), couplé audit polychromateur (5), une unité centrale de traitement (7), intégrant dans une mémoire associée, une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser le(s) spectre(s) numérique(s) ainsi obtenu(s), et à comparer après décorrélation ce(s) spectre(s) aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico-chimiques prédéterminées dans ou sur l'échantillon.

Description

DISPOSITIF INTEGRE POUR LA DETECTION ET L'IDENTIFICATION INSTANTANEES D'UNE ENTITE.
L'invention concerne un dispositif intégré et compact permettant de réaliser l'identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico-chimiques comprises dans un fluide, et ce de manière instantanée.
On cherche de plus en plus à pouvoir réaliser une analyse instantanée d'échantillons fluides, liquides ou gazeux, c'est à dire sans traitement physique ou chimique préalable, et sans adjonction d'un quelconque réactif. L'intérêt de disposer d'une telle possibilité se manifeste notamment dans les domaines de la pollution, de la toxicité, bref, dans le domaine de l'environnement, et d'une manière générale dans tous les domaines dans lesquels l'identification d'une entité quelconque induit le déclenchement d'un certain nombres de processus.
Or, on ne dispose actuellement pas de dispositif susceptible d'effectuer cette analyse instantanée et susceptible d'être opérationnelle pour une gamme d'entités suffisamment larges afin d'être réellement utilisable.
Tout au plus dispose-t-on d'une technique mettant en oeuvre un dispositif exploitant une ou deux longueurs d'ondes différentes du spectre d'absorption, pour mesurer la concentration de certaines espèces chimiques (voir par exemple EP-A-0 399 057). Ils conduisent à des résultats peu satisfaisants dans la mesure où le nombre d'entités détectables est réduit, et où les concentrations mesurées sont relativement approximatives. Parallèlement, le matériel mis en oeuvre pour aboutir à ces mesures est lourd et complexe, interdisant toute mesure sur site. De manière plus conventionnelle, les dispositifs dont on dispose sont constitués par des chaînes de mesure ou des centrales d'acquisition, dans lesquelles chacune des parties a une fonction propre, à savoir détecteur, monochromateur, unité de traitement. En outre, ils imposent tous un traitement préalable du liquide ou fluide à analyser, tel que notamment une séparation, dans laquelle chacune des phases est analysée indépendemment des autres, permettant, après traitement et analyse, la reconstitution en qualité et en concentration du fluide de base ou du fluide brut.
L'objet de l'invention est de proposer un dispositif susceptible de traiter en ligne et en instantané des informations issues de détecteurs multi-longueurs d'ondes, et notamment de fournir outre des indications qualitatives, également la concentration de certains espèces chimiques pré- déterminées, et ce, directement à partir d'un milieu brut, c'est à dire exempt de tout traitement physique et ou chimique préalable, et partant, estimer la qualité d'un échantillon en comparant les informations ainsi recueillies à celles contenues dans une base de données, de telle sorte à constituer un système expert compact et intégré, susceptible d'être utilisé sur site.
Ce dispositif intégré pour réaliser une identification qualitative et quantitative instantanée d'une ou d'une pluralité d'entités physico¬ chimique contenues dans ou sur un échantillon, et susceptibles de restituer un ou plusieurs spectres d'émission, d'absorption ou de réflectance sous l'excitation d'une onde électro-magnétique, se caractérise en ce qu'il comprend au sein d'un boîtier blindé :
- un polychromateur au niveau duquel est acheminé le ou les spectres d'émission, d'absorption ou de réflectance de l'échantillon analysé, et destiné, de manière connue, à décomposer ce ou ces spectres en une suite de signaux optiques de variation discrète de longueur d'ondes, - un organe de détection des signaux optiques, positionné sur le chemin optique des signaux issus du polychromateur, et destiné à transformer lesdits signaux optiques en signaux analogiques,
- un circuit de transformation couplé audit organe de détection, et destiné à transformer lesdits signaux analogiques en signaux numériques,
- une unité centrale, intégrant dans une mémoire associée une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser simultnément les spectres numériques ainsi obtenus, et à comparer après décorrélation ces spectres aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico¬ chimiques prédéterminées dans l'échantillon.
En d'autres termes, l'invention consiste à utiliser comme source d'information les spectres d'émission, d'absorption ou de réflexion du milieu ou d'un échantillon du milieu analysé, et à décorréler ces spectres en vue de déterminer les espèces en présence, responsables de la couleur.
Cette analyse spectrale est effectuée instantanément et indépendemment de tout traitement préalable au niveau du milieu étudié, de sorte que l'on peut disposer d'une réponse très rapide, et partant d'utiliser ce dispositif à tout type de systèmes experts. De plus, l'ensemble des constituants de ce boîtier étant intégré au sein d'un boîtier blindé, les analyses effectuées sont exemptes de toutes altérations inhérentes tant aux champs magnétiques, aux champs électriques, qu'aux variations de pression extérieures.
En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer au sein d'un même appareil, de forme par ailleurs compacte, différents organes susceptibles d'analyser en totalité un spectre d'absorption ou d'émission, et de déterminer la nature et la quantité respective d'un certain nombre d'entités prédéterminées contenues dans l'échantillon analysé. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le résultat de cette analyse, obtenu directement en clair, provoque l'induction par l'unité centrale du déclenchement automatique de signaux sensoriels ou l'activation d'organes déterminés, moteurs, robots,... De la sorte, de par ce dispositif, il est ainsi possible d'obtenir une analyse en ligne immédiate, et partant d'induire en fonction de cette analyse l'activation de tout organe associé, dans le cadre de la sécurité, de l'alerte, etc..
Avantageusement, le circuit de détection des signaux optiques issus du polychromateur est constitué par une barrette de photodiodes ou par un circuit à transfert de charges (circuit type CCD), ou par tout autre détecteur susceptible de délivrer un signal analogique ou numérique se référant à une longueur d'onde.
En outre, l'acquisition du spectre d'émission, d'absorption ou de réflexion de l'échantillon analysé est constitué, si cet échantillon est liquide, par une cuve de dosage comportant aux moins deux parois parallèles en quartz, transparentes au faisceau excitateur électro¬ magnétique, ces parois pouvant éventuellement être virtuelles et alimentées par des dispositifs à fibres optiques par exemple.
Dans le cadre de l'acquisition d'un spectre d'un échantillon gazeux, la cuve est remplacée par une cuve à réflexions multiples, également transparente au faisceau excitateur.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif comporte également un générateur d'alimentation électrique intégré, constitué par exemple d'une pluralité de cellules photo-électriques, positionnées à l'extérieur du boîtier, de telle sorte à rendre ce dispositif autonome, favorisant ainsi son utilisation sur site. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui de la figure unique annexée, correspondant à une représentation schématique du dispositif conforme à l'invention.
Le dispositif conforme à l'invention et schématiquement représenté sur la figure 1 comporte fondamentalement une enceinte ou boîtier (1), comportant une ouverture au niveau de laquelle est acheminé par le biais d'un collimateur (2) et d'un objectif (3), le spectre d'émission ou d'absorption émis par un échantillon liquide ou gazeux. Ce boîtier est blindé, de telle sorte à ce que le volume interne qu'il délimite soit insensible tant aux champs magnétiques et électriques, qu'aux variations de pressions extérieures. En outre, il est également étanche à la lumière, hormis par le biais de l'ouverture qu'il présente, mais également aux liquides. De la sorte, ce dispositif peut parfaitement être utilisé en atmosphère hostile, notamment industrielle ou naturelle, ce que les dispositifs connus à ce jour ne permettait pas d'obtenir.
Ce spectre est acheminé par tout moyen connu, et notamment au moyen d'une fibre optique ou d'une pluralité de fibres optiques. On a représenté par la flèche A, l'arrivée de ce spectre au niveau de l'objectif (3) du collimateur (2).
L'onde électromagnétique supportant ce spectre est ensuite réfléchie par un miroir (4) au niveau d'un polychromateur (5), constitué par exemple par un réseau à champ plan, destiné à diffracter les ondes électro¬ magnétiques qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ces différents faisceaux aboutissent sur une barette linéaire de 512 photo¬ diodes (6), destinées à transformer le signal électromagnétique reçu en un signal analogique, représentatif de l'intensité lumineuse dudit signal électro-magnétique. De la sorte, la barette de photodiodes (6).. ou tout autre dispositif équivalent restitue un spectre analogique, à partir d'un spectre décomposé par le polychromateur en une suite discrète de longueurs d'onde.
Afin d'être susceptible, lors de l'étape ultérieure, de subir un traitement numérique, notamment au niveau d'une unité centrale de traitement, les signaux analogiques issus de capteurs sont convertis en signaux numériques, au moyen d'un convertisseur analogique/ numérique intégré audit capteur, et par exemple embroché sur celui-ci. De fait, un tel convertisseur peut se présenter sous la forme d'une carte électronique, d'encombrement tout particulièrement réduit. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la barette est remplacée par un dispositif à transfert de charges (CCD), qui de manière connue, transforme directement des signaux électro-magnétiques en signaux numériques. De par l'utilisation d'un tel CCD, il est alors possible d'enregistrer simultanément plusieurs spectres, de telle sorte à permettre de déterminer, à l'aide de fibres optiques, la couleur ou le volume d'un échantillon. Corollairement, il devient alors possible de mesurer en instantané la température en différents points d'un échantillon.
Les signaux numériques ainsi obtenus sont alors traités au niveau d'une unité centrale de traitement (7), typiquement constituée d'une pluralité de cartes électroniques, toujours dans le même but d'aboutir à une compacité optimale du dispositif. Cette unité, intégrée dans l'enceinte (1) du dispositif, comporte une mémoire associée au niveau de laquelle est stockée une pluralité de spectres représentatifs d'entités physiques ou chimiques prédéterminées. En outre, un logiciel adapté est chargé dans cette unité de traitement (7), et est destiné à comparer le spectre issu du circuit à transfert de charges ou de la barrette de photodiodes, aux différents spectres stockés dans la mé¬ moire associée. Pour ce faire, l'absorbance mesurée pour une longueur d'ondes déterminée est considérée comme étant égale à la somme des absorbances des différentes entités chimiques présentes dans l'échantillon, additionnée d'une contribution du fond spectral provenant des interférences.
Un traitement numérique approprié effectué au niveau de ladite unité de traitement (7), compare les valeurs d'absorbance mesurées pour ladite longueur d'onde déterminée avec celle d'un fichier contenu dans la mémoire associée intégrant les valeurs d'absorbtivité des constituants à doser. Ce calcul conduit à une valeur précise de la concentration du constituant recherché. La cohérence entre la mesure et le modèle est assurée par l'utilisation de systèmes multimodèles, connus en soi, qui ajustent les valeurs mesurées et calculées de l'absorbance.
Parallèlement, de par le mode de connexion utilisé, à savoir branchement direct, tant de l'organe convertisseur analogique/ numéri¬ que sur l'organe détecteur (6), que des cartes constitutives du micro-contro- leur (7) sur le dit organe convertisseur, il est ainsi possible d'accélérer la vitesse d'analyse, et de s'affranchir des éventuelles distorions de signal inhérentes au bruit de fond, et qui viennent parasiter les mesures.
En outre, afin d'optimiser la compacité du dispositif, il est possible de le rendre autonome d'un point de vue énergétique, en lui adjoignant des cellules photo-électriques (8), situées sur l'une des faces de l'enceinte (1), et destinées, de manière connue, à transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique. En outre, afin de pouvoir disposer immédiatement du résultat de la ou des analyses effectuées sur le site même, il est possible d'adjoindre au dispositif un écran (9), par exemple à cristaux liquides, ainsi qu'un mini¬ clavier (10), tous deux connectés au micro-calculateur (7), ledit clavier permettant l'introduction éventuelle de paramètres au niveau dudit micro-calculateur (7), tenant compte des conditions extérieures ou du milieu analysé.
Selon la phase de l'échantillon analysé, on utilise soit une cuve de dosage comportant au moins deux faces parallèles en quartz, et donc transparentes au faisceau excitateur, du type décrit dans le document FR-A-2 674 959, soit au moyen d'une cuve à réflexions multiples s'il s'agit d'un gaz, cuve comprenant de manière connue une chambre résonnante dans laquelle ledit gaz est soumis à un faisceau incident excitateur, typiquement constitué par un rayonnement ultra-violet ou laser, susceptible de traverser ladite chambre et d'induire la sortie d'un rayonnement correspondant au spectre d'absorption et d'émission du gaz ou de l'air contenu dans ladite chambre.
Dans une application particulière de l'invention, on peut procéder à une analyse in situ au moyen d'un faisceau laser fortement collimaté, et ce dans le cadre de contrôles de pollution de l'air ambiant, notamment en milieu industriel ou urbain.
Une première application de ce dispositif consiste à opérer un dosage instantané d'espèces chimiques définies, telles que notamment des nitrates, phénol, chrome hexavalent, métaux - tel que le fer, le cuivre, le manganèse, le plomb, le zinc, le cadmium - produits organiques, chlorures, borates, phosphates, amonium, etc.... et ce dans un échantillon liquide. Cette application s'inscrit dans le cadre de recherches et de détermination des paramètres globaux de pollution, mais également d'analyse de toxicité de milieux liquides, notamment de mesure de potabilité de l'eau. De fait, outre la recherche des entités du type de celles précédemment énoncés, on mesure sur des échantillons d'eau brute, les valeurs du Carbone Organique Total, ou d'autres concepts, tels que la Demande Chimique en Oxygène, bien connue dans le domaine de la pollution, des matières oxydables, et dans certaines conditions de la Demande Biologique en Oxygène.
A partir de ces données, le dispositif conforme à l'invention fournit un indice de qualité biologique, dont le résultat est obtenu directement, soit en clair au niveau de l'écran (9) associé à ladite unité centrale, soit sous forme de signaux numériques ou analogiques, susceptibles d'activer un déclenchement d'autres signaux sensoriels, lumineux ou sonores par exemple, soit encore l'activation d'organes particuliers. Dans ce dernier cas, on associe au dispositif une commande automatique de procédés industriels, dans lequel le dispositif précédent s'intègre dans les circuits commandant la fabrication de produits divers, notamment de produits chimiques.
Ces mesures optiques peuvent en outre être complétées par l'adjonction par l'utilisateur ou collectées par l'ordinateur interne de données extérieures, telles que notamment celles provenant de capteurs de mesure de débit et de données physiques ou physico-chimiques comme le pH, le rH (potentiel Redox), la température, la conductivité, la quantité d'oxygène dissout, la turbidité, afin ainsi de constituer un "toximètre" automatique, c'est à dire un dispositif susceptible de mesurer automatiquement et instantanément la toxicité d'un milieu donné et notamment de l'eau. -, Q
Bien entendu, le dispositif de l'invention peut être couplé à un réseau de contrôle réalisé à partir d'une série de capteurs transmettant par téléphone, ondes radio ou voire par satellite les données recueillies sur les sites de contrôle, de sorte à pouvoir suivre en permanence la qualité d'une production industrielle, ou la qualité des eaux naturelles sur un bassin versant, voire le degré de pollution de l'air d'un site industriel ou d'une agglomération.
En ajoutant une chaîne de mesures physico-chimiques à la station intégrée précédente, on aboutit à un nouvel appareil dans lequel il est possible, en introduisant une banque de données de spectres se référant à des scénarios identiques de pollution accidentelle, de classer en temps réel les eaux en fonction de leur degré de qualité ou de toxicité, compte tenu de l'analyse effectuée instantanément sans nécessiter de traitement physico-chimique préalable, tel qu'un décantation.
Cette application peut également être affectée à la détermination de la qualité de l'air ambiant, notamment dans les locaux industriels.
En d'autres termes, on réalise une station d'alerte, susceptible d'activer tout déclenchement d'alerte sonore ou visuelle, lorsqu'un certain seuil est dépassé ou d'induire l'activation d'organes moteurs, dans le cas d'espèce la fermeture de vannes, l'arrêt des pompes pour le réseau d'alimentation en eau potable, ou le lancement de programmes pré- établis d'alerte.
De la même manière, couplé avec un dispositif de commande de l'alimentation en air atmosphérique d'un bassin de traitement biologique, il est possible en déterminant la DCO rentrante et les paramètres physico-chimiques, de commander intégralement une station de traitement des eaux usées et partant, de réduire sensiblement les coûts de fonctionnement et d'entretien d'une telle installation. Il est en outre possible de conférer au dispositif la capacité de détermination de la bio- dégradabilité d'une eau, et partant, de prévoir le fonctionnement de ladite station.
Dans une toute autre application, il est connu que la couleur de la flamme d'une torche à plasma varie en fonction des métaux qu'elle rencontre. De fait et en analysant cette couleur par le dispositif de l'invention, il est possible de piloter en temps réel l'installation d'usinage. En effet, de manière connue, la couleur observée dépend directement des longueurs d'onde du spectres d'absorption ou d'émission correspondant. Dans ce domaine, le dispositif peut analyser de manière instantanée le spectre d'émission plasma.
Outre ces différentes applications, le dispositif de l'invention peut également être utilisé en temps que spectrophotomètre de laboratoire, notamment dans le cadre d'anaylses en chromatographie en phase liquide haute pression, mais également lors de la mesure de cinétique de réaction, en spectroscopie RAMAN et infrarouge, à des mesures de température de flammes ou de solides.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce dispositif peut être utilisé pour la détection et l'identification optique d'une entité et notamment dans le cadre d'identification et de reconnaissance de pièces. Ces pièces reçoivent avantageusement un identificateur, constitué par exemple d'une pastille de quelques millimètres carrés, de forme quelconque, mais dont la couleur est spécifique et définie par sa longueur d'ondes. De fait, cette pastille présente un spectre d'absorption et d'émission typique et unique, du fait de l'unicité du spectre multi- longueurs d'onde correspondant à la couleur associée. Un code couleur peut alors être édité, et sert d'identificateur. Dans d'autres applications particulières, l'application d'une pastille sur l'objet identifié peut être évitée, l'identificateur étant constitué par l'objet ou l'entité elle-même, dans la mesure où le spectre d'absorption ou d'émission lié à sa couleur a préalablement été réalisé et répertorié. Typiquement, cette pastille peut être collée ou fixée par tout moyen approprié sur l'objet à reconnaître.
Néanmoins, celle-ci peut être imprimée lors de la réalisation d'emballages, voire introduite dans l'entité même, par exemple lorsque celle-ci est réalisée au moyen d'une substance transparente telle que le verre, les matières plastiques, les films,....
Comme déjà dit, cette pastille est recouverte de manière uniforme de la couleur correspondant à une longueur d'onde déterminée, autrement dit un pentome.
Le dispositif conforme à l'invention vise tout d'abord à capter le spectre d'émission ou d'absorption de ce pentome, et ce au moyen d'un lecteur optique, constitué par exemple d'un crayon. Ce dernier est équipé d'un guide d'ondes, typiquement constitué de fibres optiques, permettant d'une part, l'éclairage de l'identificateur par acheminement d'un faisceau lumineux polychromatique à partir d'une source contenue dans ledit crayon, typiquement de la lumière blanche, et d'autre part, l'achemine¬ ment des ondes réfléchies ou transmises par l'identificateur au niveau d'un réseau à champ plan, destiné, comme déjà précisé, à diffracter les ondes qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ce réseau est intégré dans le dispositif de détection et d'identification décrit précédemment en liaison avec la figure 1. Une fois le spectre reconnu, le micro-ordinateur délivre un code ou une référence unique, correspondant rigoureusement aux longueurs d'onde de la couleur de la pastille. Ce code ou cette référence peut être restitué de multiple façons, et par exemple sous forme visuelle, graphique sur un écran, ou simplement sous forme analogique ou numérique afin d'être transmise à d'autres organes, ou dispositifs susceptibles d'effectuer des opérations déterminées dès lors que ce code particulier leur parvient. On observe de la sorte, qu'à un ensemble de longueurs d'onde défini correspond un code unique. On peut donc appliquer ce procédé à de nombreuses utilisations et ce dans différents domaines, en particulier à la mesure directe du pH d'une solution colorée.
Il peut être notamment être utilisé dans des chaînes de fabrication afin d'identifier des séries d'objets colorés sans manipulation supplémentaire. En outre, il peut être utilisé pour l'identification ou le contrôle des peintures, pigments, et tous liquides colorés. En corollaire de ces deux applications, ce procédé peut être appliqué à la vision en "couleur" des robots, qui peuvent ainsi obtenir des informations supplémentaires sur des tests ou des prises de décision, réduisant d'autant l'intervention humaine.
On conçoit donc que le dispositif de l'invention permet de disposer d'un scanneur optique intelligent, dans la mesure où il est susceptible de traiter en ligne et en instantanné les informations issues d'un détecteur multi longueurs d'onde, captant des spectres électro-magnétiques émis par toutes entités. Il constitue donc la base d'un système expert, utilisable dans de très nombreux domaines.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Dispositif intégré pour réaliser en instantané une identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico- chimiques contenues dans ou sur un échantillon, et susceptibles de restituer un ou plusieurs spectres d'émission ou d'absorption ou de réflectance sous l'excitation d'une onde électro-magnétique caractérisé en ce qu'il comprend au sein d'un boîtier blindé (1) :
- un polychromateur (5) au niveau duquel est (sont) acheminé(s) le (les) spectre(s) d'émission, d'absorption ou de réflectance de l'échantillon analysé, et destiné, de manière connue, à décomposer ce(s) spectre(s) en une suite de signaux de variation discrète de longueur d'ondes,
- un organe de détection (6) desdits signaux, positionné sur le chemin optique des signaux issus du polychromateur (5), et destiné à les transformer en signaux analogiques ou numériques,
- un circuit de transformation (6), couplé audit polychromateur (5), et destiné à transformer les signaux analogiques issus de l'organe de détection (6) en signaux numériques,
- une unité centrale de traitement (7), intégrant dans une mémoire associée, une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser le(s) spectre(s) numérique(s) ainsi obtenu(s), et à comparer après décorrélation ce(s) spectre(s) aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico-chimiques prédéterminées dans ou sur l'échantillon.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (6) de transformation des signaux est constitué par une barrette de photodiodes ou par un circuit à transfert de charges (circuit type CCD). 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'unité centrale de traitement (7) est constituée par un micro¬ calculateur au niveau duquel est chargé un logiciel de traitement, propre à assurer la comparaison entre le(s) spectre(s) obtenu(s) après le circuit de transformation (6) et les spectres stockés dans la mémoire qui lui est associée.
4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'alimentation électrique intégré (8), constitué par au moins une cellule photo-électrique, positionnée à l'extérieur du boîtier (1).
5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un écran (9) de visualisation des mesures et analyses effectuées, connecté à l'unité centrale (7), et un clavier (10), d'introduction de paramètres externes, relié également à l'unité centrale
(7).
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