EP1899710A2 - Procede d'evaluation d'un melange de produits petroliers et de biocarburants - Google Patents

Procede d'evaluation d'un melange de produits petroliers et de biocarburants

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Publication number
EP1899710A2
EP1899710A2 EP06779004A EP06779004A EP1899710A2 EP 1899710 A2 EP1899710 A2 EP 1899710A2 EP 06779004 A EP06779004 A EP 06779004A EP 06779004 A EP06779004 A EP 06779004A EP 1899710 A2 EP1899710 A2 EP 1899710A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mixture
refractive index
light beam
index
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06779004A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michaël HADDAD
Karim Mokaddem
Jean-Pierre Goedgebuer
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.)
PSA Automobiles SA
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles SA
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 Peugeot Citroen Automobiles SA filed Critical Peugeot Citroen Automobiles SA
Publication of EP1899710A2 publication Critical patent/EP1899710A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
    • G—PHYSICS
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    • G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
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    • G01N2021/432—Dip refractometers, e.g. using optical fibres comprising optical fibres
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    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
    • G01N2021/8528—Immerged light conductor

Definitions

  • the present invention relates to the identification of the basic characteristics of a motor fuel, in particular the concentration of biofuel and petroleum products and the automatic adjustment of certain engine parameters according to the identification of these characteristics. .
  • control means controlled by an electronic board, such as an onboard computer, it would be possible to control this setting automatically from information on the nature of the fuel actually used.
  • the system is actually able to determine itself the nature of the fuel available in the tank of the vehicle - which excludes any process involving for example a seizure by the driver of the basic information and / or the association with a measuring device which could be available for example in service stations and which could be interfaced with the electronic box of the vehicle.
  • any material regardless of its gaseous state, liquid or solid, can be characterized by its dielectric constant.
  • the dielectric constant varies with the pressure, the temperature and in the case of a mixture with the relative concentration of each of its constituents.
  • An accurate measurement of the dielectric constant a solution whose constituents are known can often be deduced from its exact composition.
  • a simple means for determining the dielectric constant of a fluid consists in measuring the value of the capacitance formed by two electrodes separated by a known thickness of the tested fluid. Of a very easy implementation in a laboratory, this method would require a major development of the vehicle and / or the establishment of a bypass circuit to perform the sampling of the fluid.
  • the dielectric constant is a characteristic quantity of the response of a material to an electric field.
  • Light being an electromagnetic wave its propagation through a material is affected by the value of the electrical constant of said material.
  • the refractive index of a fluid is therefore an indirect measure of the dielectric constant.
  • the refractive index of the mixture at a value intermediate between those of the refractive indices of the individual constituents of the mixture, weighted by the fractions (volume, mass) of said constituents.
  • the problem is simplified to the extent that the nature of the constituents of the mixture - and therefore their respective refractive indices - is known.
  • European Patent Publication 0 441 056 in the name of Ford Motor Company Ltd thus discloses a device in which the tested fluid flows in a hemispherically shaped volume which redirects light from a light source to a detector. The amount of light received by the detector depends on the refractive index of the fluid, so that the composition of the fluid trapped in the hemisphere can be deduced.
  • Such a system is very complex to implement.
  • the ethanol concentration of a fuel is determined using a prism filled with the tested fluid.
  • the deviation of the light beam varies according to the refractive index of the fluid.
  • This system is sensitive to mechanical constraints and there again, requires a modification of the fuel system to include prismatic optical access.
  • this object is achieved by a method for evaluating the biofuel concentration of a fuel consisting of a mixture of petroleum products and biofuel comprising the evaluation of the index. refraction of the mixture by analyzing the reflection by mixing a light beam conveyed from a light source to the heart of the mixture by a waveguide.
  • the evaluation of the refractive index may comprise a step of estimating the real value of this index or simply the variation of this index compared to that of a mixture consisting exclusively of biofuel. or petroleum products.
  • the waveguide may be constituted by an optical fiber.
  • the step of analyzing the reflected light beam is preferably performed by means of a detector after separation of the reflected beam.
  • the end of the waveguide immersed in the mixture is directly placed in the tank of a motor vehicle and the evaluation of the concentration is taken into account to adjust at least a motor operating parameter.
  • the end of the guide is immersed in a mixing chamber and the conditions of formation of the mixture are regulated by a control loop taking into account in particular the operating conditions of the engine and the engine. 'index of the mixture.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the propagation of a non-polarized plane wave between two media of index R 1 and n 2 ;
  • Figure 2 is a diagram illustrating a device for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the paths of the light beams at the waveguide-mixing interface
  • Figure 4 is a diagram illustrating a Y-junction according to the invention.
  • Figure 5 is a block diagram illustrating the operation of the invention.
  • n, ⁇ j ⁇
  • n 2 the index of the medium that we are trying to measure
  • D 1 the index of the reference medium, in accordance with Snell-Descartes' law on the refraction of light, for an unpolarized wave
  • the product of the index of refraction D 1 by the sinus of the angle of incidence / of a ray in a first medium is equal to the product of the refractive index by the sinus of the angle of refraction t of a second medium, or:
  • W 1 for an unpolarized wave are given by:
  • FIG. 2 illustrates a first variant of the invention consisting essentially of a light source 1, a waveguide 2, one end of which is immersed in the fluid measured 3 placed in a chamber 4.
  • This chamber may be constituted for example by the walls of the vehicle tank, with an optical fiber having by example an outer diameter (including sheath) of the order of 1 to 5 mm, bathed in this tank.
  • the end of the dipped fiber dipped in the tank can be fixed to the bottom of the tank (preferably relatively flexible to cushion shocks) or slaved to a float if preferred avoid testing the bottom of the tank where impurities may eventually accumulate.
  • the light source 1 used is for example a light emitting diode (LED), preferably chosen because of its cost.
  • LED light emitting diode
  • a laser or other source that can be injected into a waveguide, including an optical fiber without too much loss. Since the phenomenon studied is non-resonant, the wavelength is of little importance but must be outside the absorption ranges of the liquid whose index is to be measured and, if possible, in a spectral domain where detectors Sensitive and low cost are available.
  • the emission of light can be continuous or pulsed. This latter method is preferred because it makes it possible to synchronize the detection of the reflected beam with its emission, and consequently, to filter in a simple way a possible background noise.
  • certain light sources have a maximum power of emission in pulse mode which can be for example ten times greater than the power of emission in continuous. Using a pulse mode thus makes it possible to use an inexpensive but nevertheless powerful source, thus improving the quality of the measurement.
  • the waveguide is preferably an optical fiber, that is to say a means well suited in an environment subject to multiple sources of vibration such as an automobile.
  • the refractive index of the waveguide corresponds to one of the two indices R 1 and n 2 , the second being the index of the mixture.
  • the refractive index of the waveguide be outside the range corresponding to a mixture of 100% petroleum product on the one hand and 100% of biofuel. somewhere else.
  • the table below gives the refractive index of some common elements.
  • a waveguide having a refractive index of less than 1.33 or greater than 1.53 is therefore preferred.
  • the index of the waveguide may be chosen to be identical (or at least very close) to the index of one of the components of the mixture.
  • the device will be transparent when the mixture consists of 100% of this particular compound.
  • the response of the detector will be essentially linear, the mixture reflecting all the more light that it contains more of the compound whose refractive index is other. This will be the case for example for a waveguide having a refractive index close to 1, 42 or 1, 46 depending on whether the vehicle is a gasoline or diesel vehicle.
  • the waveguide is constituted by an optical fiber, it is easy to obtain an adjustment of this refractive index, for example by doping or choosing in an appropriate manner the ratio between the inside diameters ( core) and outer (sheath) of the fiber, any technique well known in the optical fiber industry.
  • the invention can thus be implemented by choosing an optical fiber with a relatively "thick" core, generally considered to be of inferior quality, particularly with regard to applications in telecommunications, and above all, the light beam need not be very fine and precise, as would be the case particularly with a relatively expensive source such as a source of laser beam.
  • FIG. 3 shows the paths of the light beams at the interface of the waveguide and the mixture.
  • I 0 denotes the intensity of the beam emitted by the light source towards the refractive index mixture n 2 , I T , the share of the transmitted light beam, I R the reflected part and n 1 the index of refraction of the optical fiber.
  • the system shown in Figure 2 further comprises a separation system 5 to access the reflected beam.
  • This separator may be for example a separator plate, a separator cube or other equivalent means well known to optical specialists.
  • this separator is a junction of optical fibers X or preferably Y, the injection is preferably made by one of the two branches, as shown in Figure 4.
  • a Y junction considered as two branches merging into a branch
  • the light beam is introduced by one of the two initial branches, joined the common branch, is reflected and the reflected beam is detected in the second branch.
  • E corresponds to the emitting light source
  • D to the detector
  • R to the reflecting medium.
  • this junction Y will be such that the greater part of the reflected beam is directed towards the detector, for example 99% of the reflected beam being directed towards the detector and only the residual part, of the order of at most 1% continuous towards the light source.
  • a junction X is also possible, with respect to the previous case an additional branch provided with a second detector serving as reference data.
  • the device does not include a separator itself but an area in which the fiber is stripped (or at least is transparent to a light beam having a component not strictly parallel to the main direction If the fiber is multi-mode, the light beam propagates in part by a succession of bifurcations against the walls.With a "hole” in the fiber, opposite which is placed a detector, one can measure the amplitude of the "leakage” and deduce the amplitude of the reflected beam. This technique may require calibration, for example using a mixture having a refractive index identical to that of the waveguide so as to identify the "Leakage" of the emitted light beam.
  • the device comprises a detector 6 for measuring the intensity of the reflected beam
  • This detector is for example of the type photodiode, joulemeter etc..
  • the detector is associated with measurement and control electronics, not shown here.
  • a device of the same type can be used for the optional detector 7, used to measure a reference intensity or to detect a failure of the lighting system.
  • the "detector" may in fact be constituted by observation means of the source. Indeed, in most optical systems, it is sought to minimize the reflection of the light beam, for example by cutting the end face of the optical fiber bevel so that the reflected ray is reoriented in a direction perpendicular to the direction the incident ray, because the reflection towards the source leads to a disturbance of the laser source. In this variant of the invention, one seeks in fact to take advantage of this disturbance to observe the reflection phenomenon. Such a variant has the advantage that it does not require a step of separation of the reflected beam.
  • the selected optical fiber has an index close to the main component of the mixture, the intensity of the disturbance is then an indication of the "drift" of the index of the mixture. in other words, the intensity of the reflected beam.
  • the light is injected into one of the arms 10 of the coupler 5, here a coupler Y.
  • the light passes through the coupler and is guided in the branch 1 1 to the probe end immersed in the liquid which is to be measured the refractive index.
  • the light is reflected towards the inside of the fiber.
  • the intensity of the reflected beam depends on the index of the liquid in which the fiber is dipped.
  • the reflected beam is guided by the fiber and a portion exits through the branch 12 of the coupler 5 to be evaluated by a detector. From this measurement can be deduced the refractive index of the liquid.
  • An "X" coupler can also be used to simultaneously measure a reference intensity with another detector.
  • any material has a refractive index that varies with wavelength. This variation is very strong in the vicinity of absorption resonances which are characteristic of the constituents of the mixture. However, even at wavelengths far from these resonances their influences are sensitive.
  • the light source is chosen such that it emits in a wide spectral range (again the light-emitting diodes constitute a relatively simple commercial implementation solution) associated with a set of detectors. placed downstream of an interference filter.
  • an interference filter For example, a 6DB coupler may be used, that is to say a coupler that breaks down the signal reflected into 4 signals carried by the 4 branches, each of which receives VA from the reflected intensity.
  • One of the branches being used for the source we will be able to equip each of the other 3 branches with an interference filter so as to detect the ray reflected in a given wavelength.
  • the interference filters will preferably be of the Bragg grating type, which have the advantage of being an integral part of the fiber, and therefore constitute robust systems.
  • the method according to the invention is implemented essentially via a single optical fiber of a few millimeters in diameter, immersed in the mixture to study.
  • the design requires no alignment and is very robust mechanically. All the electronic part of signal processing can be possibly (but not necessarily) made in semiconductor technology and optical fiber, that is to say using low cost technologies, widely controlled and can be easily manufactured on a large scale.

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Abstract

Procédé d'évaluation de la concentration en biocarburant d'un carburant constitué par un mélange de produits pétroliers et de biocarburants comportant l'évaluation de l'indice de réfraction du mélange par l'analyse de la réflexion par le mélange d'un faisceau lumineux convoyé d'une source lumineuse jusqu'au sein du mélange par un guide d'onde.

Description

PROCEDE D'EVALUATION D'UN MELANGE DE PRODUITS PETROLIERS ET DE BIOCARBURANTS
[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française 0552055 déposée le 05/07/2005 dont le contenu (description, revendications) est incorporé ici par référence
[0002] La présente invention concerne l'identification des caractéristiques de bases d'un carburant automobile, en particulier la concentration en biocarburant et en produits d'origine pétrolière et le réglage automatique de certains paramètres moteurs en fonction de l'identification de ces caractéristiques.
[0003] De nos jours, les automobilistes ont souvent le choix entre plusieurs carburants, notamment entre des essences d'origine pétrolière, essentiellement à base d'hydrocarbures ou des « biocarburants » qui contiennent des proportions plus ou moins grandes d'alcool. De même des diesters peuvent être substitués à des carburants du type diesel. Dans la suite de ce document, nous qualifierons de produits pétroliers un carburant essentiellement obtenu par raffinage d'un hydrocarbure naturel ou synthétique, à l'exemple des carburants traditionnels comme les essences, essences sans plomb et diesel, enrichis éventuellement de certains additifs comme il est bien connu de l'homme de l'art, et de biocarburants, des produits le plus souvent issus de l'agriculture et à base d'alcool (méthanol ou éthanol par exemple) ou de diesters.
[0004] L'utilisation exclusive d'un biocarburant pour l'alimentation du moteur d'un véhicule automobile est possible mais n'est généralement pas recommandée compte tenu d'une certaine dégradation des performances. Tel est le cas notamment du démarrage à froid ; lorsque la température extérieure est inférieure à environ 5°C. Ceci explique notamment que dans nombre de pays, seuls des mélanges à teneur limitée en biocarburants sont commercialisés.
[0005] Dans les pays où les biocarburants sont disponibles « purs », souvent à des tarifs particulièrement attractifs, les automobilistes optent souvent pour des stratégies individuelles, choisissant par exemple de remplir environ un tiers du réservoir avec du biocarburant et les deux tiers restant avec des produits pétroliers, et en cherchant ce qu'ils considèrent comme le meilleur compromis prix/performances compte tenu du parcours prévu.
[0006] A l'évidence, ce type de comportement ne permet pas de régler au mieux les véhicules. Or, en ajustant certains paramètres du moteur tels que notamment la quantité de carburant injecté à chaque temps moteur et/ou le retard à l'allumage, il est possible d'optimiser les performances du véhicule en fonction du carburant effectivement utilisé. Comme une intervention d'un mécanicien après chaque passage à une station service est hors de question, la plupart des véhicules sont au mieux réglés en fonction du mélange de carburant habituellement utilisé par le conducteur.
[oooη Depuis quelques temps, certains constructeurs proposent un autoréglage du moteur asservi à un capteur placé dans le système d'échappement. Ce système suppose que le moteur a pu démarrer et n'est donc pas une solution pour le démarrage à froid. Par ailleurs, par définition ce système ne peut que corriger après coup un mauvais réglage.
[0008] Sur les véhicules modernes, munis de moyens de réglage pilotés par une électronique de bord, comme par exemple un calculateur de bord, il serait possible de commander ce réglage automatiquement à partir d'une information sur la nature du carburant effectivement utilisé.
[0009] Pour une véritable automaticité de ce réglage, il est également souhaitable que le système soit effectivement en mesure de déterminer lui-même la nature du carburant disponible dans le réservoir du véhicule - ce qui exclut tout procédé impliquant par exemple une saisie par le conducteur de l'information de base et/ou l'association avec un dispositif de mesure qui pourrait être disponible par exemple dans les stations services et qui pourrait être interface avec le boîtier électronique du véhicule.
[0010] Tout matériau, quel que soit son état gazeux, liquide ou solide, peut être caractérisé par sa constante diélectrique. La constante diélectrique varie avec la pression, la température et dans le cas d'un mélange avec la concentration relative de chacun de ses constituants. Une mesure précise de la constante diélectrique d'une solution dont les constituants sont connus permet bien souvent d'en déduire sa composition exacte.
[0011] Un moyen simple de détermination de la constante diélectrique d'un fluide consiste dans la mesure de la valeur de la capacité formée par deux électrodes séparées par une épaisseur connue du fluide testé. D'une mise en œuvre très aisée dans un laboratoire, cette méthode nécessiterait un aménagement important du véhicule et/ou la mise en place d'un circuit de dérivation pour effectuer le prélèvement du fluide.
[0012] Une autre approche bien connue est basée sur une méthode optique. En effet, la constante diélectrique est une grandeur caractéristique de la réponse d'un matériau à un champ électrique. La lumière étant une onde électromagnétique, sa propagation à travers un matériau est affectée par la valeur de la constante électrique dudit matériau. L'indice de réfraction d'un fluide est donc une mesure indirecte de la constante diélectrique. Par ailleurs, dans le cas d'un mélange, l'indice de réfraction du mélange à une valeur intermédiaire entre celles des indices de réfraction des constituants individuels du mélange, pondérée par les fractions (volumiques, massiques) desdits constituants. Dans le cas d'un mélange biocarburant/hydrocarbure, le problème est simplifié dans la mesure où la nature des constituants du mélange - et donc leurs indices de réfraction respectifs - est connue.
[0013] II a été proposé d'appliquer cette approche optique pour déterminer la composition d'un mélange alcool/fuel dans un véhicule automobile. La publication de brevet européen 0 441 056 au nom de Ford Motor Company Ltd décrit ainsi un dispositif selon lequel le fluide testé circule dans un volume de forme hémisphérique qui redirige la lumière provenant d'une source lumineuse vers un détecteur. La quantité de lumière reçue par le détecteur dépend de l'indice de réfraction du fluide, de sorte qu'on peut en déduire la composition du fluide emprisonnée dans l'hémisphère. Un tel système est très complexe à mettre en œuvre.
[0014] Selon le brevet US 5 015 091 au nom de Mitsubishi Denki K.K, la concentration en éthanol d'un carburant est déterminée à l'aide d'un prisme empli du fluide testé. La déviation du faisceau lumineux varie en fonction de l'indice de réfraction du fluide. Ce système est sensible aux contraintes mécaniques et là encore, nécessite une modification du circuit de carburant pour y inclure un accès optique prismatique.
[0015] II serait donc souhaitable de développer un système plus simple, ne nécessitant pas d'aménagement particulier du véhicule et relativement robuste.
[0016] Conformément à un premier aspect de l'invention, ce but est atteint par un procédé d'évaluation de la concentration en biocarburant d'un carburant constitué par un mélange de produits pétroliers et de biocarburant comportant l'évaluation de l'indice de réfraction du mélange par l'analyse de la réflexion par le mélange d'un faisceau lumineux convoyé d'une source lumineuse jusqu'au sein du mélange par un guide d'onde.
[0017] Selon les cas, l'évaluation de l'indice de réfraction peut comporter une étape d'estimation de la valeur réelle de cet indice ou simplement de la variation de cet indice par rapport à celui d'un mélange constitué exclusivement de biocarburant ou de produits pétroliers.
[0018] Dans un mode de réalisation particulièrement simple de mise en œuvre, le guide d'onde peut être constitué par une fibre optique.
[0019] L'étape d'analyse du faisceau lumineux réfléchi est effectuée de préférence au moyen d'un détecteur après séparation du faisceau réfléchi.
[0020] Dans une variante préférée de l'invention, l'extrémité du guide d'onde plongée dans le mélange est directement placée dans le réservoir d'un véhicule motorisé et l'évaluation de la concentration est prise en compte pour ajuster au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.
[0021] Dans une autre variante de l'invention, l'extrémité du guide est plongée dans une chambre de mélange et les conditions de formation du mélange sont régulées par une boucle de régulation tenant compte notamment des conditions de fonctionnement du moteur et de l'indice du mélange.
[0022] L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexes, parmi lesquels : [0023] la figure 1 est un schéma de principe de la propagation d'une onde plane non polarisée entre deux milieux d'indice R1 et n2 ;
[0024] La figure 2 est un schéma illustrant un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention ;
[0025] La figure 3 est un schéma de principe montrant les trajets des faisceaux lumineux à l'interface guide d'onde- mélange ;
[0026] La figure 4 est un schéma illustrant une jonction en Y selon l'invention ; et
[0027] La figure 5 est un schéma de principe illustrant le fonctionnement de l'invention.
[0028] Comme il ressort de manière bien connue des relations constitutives dans le cadre de la théorie générale de l'électromagnétisme de Maxwell, l'information optique sur la constante diélectrique ε, du matériau / est contenu dans l'indice de réfraction nt du milieu qui dans le cas d'un isolant non magnétique est donné par :
n, = Λjε
[0029] Pour mesurer optiquement l'indice de réfraction plusieurs stratégies peuvent être employées. Si, comme illustré figure 1 , on appelle n2 l'indice du milieu que l'on cherche à mesurer et D1 l'indice du milieu de référence, conformément à la loi de Snell-Descartes sur la réfraction de la lumière, pour une onde non polarisée, le produit de l'indice de réfraction D1 par le sinus de l'angle d'incidence / d'un rayon dans un premier milieu est égal au produit de l'indice de réfraction par le sinus de l'angle de réfraction t d'un second milieu, ou encore :
U1 sin i = n2 sin t
[0030] Des relations équivalentes peuvent être écrites dans le cas des ondes non planes et/ou polarisées.
[0031] Si on mesure l'intensité des faisceaux réfléchi ou réfracté à l'interface du milieu dont on cherche à mesurer l'indice, et si on note n le rapport des indices H1 et n2 (« = — ), les coefficients de réflexion fî et de transmission Ten incidence normale
W1 pour une onde non polarisée sont donnés par :
[0032] De ces équations, on en déduit que la forme de la courbe donnant le coefficient de réflexion à l'incidence normale en fonction de l'indice de réfraction n2à déterminer est une parabole. Le maximum de sensibilité est obtenu lorsque les indices D1 et n2 sont très différents.
[0033] Différents systèmes ont été proposés qui utilisent la déviation du faisceau réfracté, proportionnelle à l'indice de réfraction, pour mesure cet indice de réfraction. Ces systèmes nécessitent un accès optique au liquide dont on veut connaître les caractéristiques ainsi qu'un alignement précis et sont, de par leur conception, sensibles aux chocs et vibrations ce qui est pénalisant dans une application automobile.
[0034] Tel n'est pas le cas de la présente invention qui permet de mesurer l'indice de réfraction d'un fluide automobile pour en déduire ses caractéristiques physiques de façon non intrusive, sans avoir à modifier le réservoir. La technique proposée dans l'invention, surtout dans ses variantes préférées est peu encombrante, robuste et facilement industrialisable, pouvant être notamment basée sur des technologies semi-conducteur bien connues dans le monde des télécommunications. Elle est très facilement intégrable dans un véhicule, sans nécessiter de modification de ce dernier.
[0035] Le principe du réfractomètre selon l'invention est décrit en relation avec la figure 2 qui illustre une première variante de l'invention essentiellement constituée par une source lumineuse 1 , un guide d'onde 2 dont une extrémité est plongée dans le fluide mesuré 3 placé dans une enceinte 4. Cette enceinte peut être par exemple constituée par les parois du réservoir du véhicule, avec une fibre optique ayant par exemple un diamètre extérieur (gaine comprise) de l'ordre de 1 à 5 mm, baignant dans ce réservoir.
[0036] Bien que ces moyens ne soient pas représentés, l'extrémité de la fibre baignant plongée dans le réservoir peut être fixée au fond du réservoir (de préférence de façon relativement souple pour amortir les chocs) ou asservie à un flotteur si on préfère éviter de tester le fond du réservoir où des impuretés peuvent éventuellement s'accumuler.
[0037] La source lumineuse 1 utilisée est par exemple une diode électroluminescente (LED), choisie de manière préférée en raison de son coût.
[0038] Pour autant, il est aussi possible d'utiliser un laser ou tout autre source pouvant être injectée dans un guide d'onde, notamment une fibre optique sans trop de pertes. Le phénomène étudié étant non résonant, la longueur d'onde n'a que peu d'importance mais doit se situer hors des plages d'absorption du liquide dont on veut mesurer l'indice et si possible, dans un domaine spectral où des détecteurs sensibles et de faible coût sont disponibles. L'émission de lumière peut se faire de façon continue ou par impulsions. Cette dernière méthode est préférée car elle permet de synchroniser la détection du faisceau réfléchi avec son émission, et par la même, de filtrer de façon simple un éventuel bruit de fond. Par ailleurs, certaines sources lumineuses ont une puissance maximale d'émission en régime impulsionnel qui peut être par exemple dix fois plus grande que la puissance d'émission en continu. Utiliser un mode par impulsion permet ainsi d'utiliser une source peu coûteuse, mais néanmoins puissante améliorant ainsi la qualité de la mesure.
[0039] Le guide d'onde est de préférence une fibre optique, c'est-à-dire un moyen bien adapté dans un environnement soumis à de multiples sources de vibrations comme une automobile.
[0040] Dans le dispositif selon l'invention, l'indice de réfraction du guide d'onde correspond à l'un des deux indices R1 et n2, le second étant l'indice du mélange. Pour simplifier l'interprétation de la mesure, il est préférable que l'indice de réfraction du guide d'onde soit en dehors de l'intervalle correspondant à un mélange à 100% produit pétrolier d'une part et 100% de biocarburant d'autre part. [0041] Le tableau ci-après donne l'indice de réfraction de quelques éléments courants
* selon le type de végétaux utilisés
[0042] II peut être noté que les valeurs données sont simplement indicatives, et qu'en particulier d'un pays à l'autre, les carburants n'ont pas toujours les mêmes caractéristiques (et peuvent avoir une qualité variable au cours du temps ou d'une partie du territoire à un autre). Un guide d'onde ayant un indice de réfraction inférieur à 1 ,33 ou supérieur à 1 ,53 est donc préféré.
[0043] Selon une autre variante de l'invention plus particulièrement préféré, l'indice du guide d'onde peut être choisi identique (ou du moins très proche) de l'indice d'un des composants du mélange. Autrement dit, le dispositif sera transparent lorsque le mélange est constitué à 100% de ce composé particulier. Dans ces conditions, la réponse du détecteur sera essentiellement linéaire, le mélange réfléchissant d'autant plus de lumière qu'il contient plus du composé dont l'indice de réfraction est autre. On optera ainsi par exemple pour un guide d'onde ayant un indice de réfraction voisin de 1 ,42 ou de 1 ,46 selon que le véhicule est un véhicule essence ou diesel.
[0044] A noter que si le guide d'onde est constitué par une fibre optique, il est aisé d'obtenir un ajustement de cet indice de réfraction, par exemple par dopage ou en choisissant de façon idoine le rapport entre les diamètres intérieur (cœur) et extérieur (gaine) de la fibre, toute technique bien connue de l'industrie des fibres optiques.
[0045] II est aussi possible de choisir un guide d'onde dit multi-mode, autrement dit transmettant des faisceaux lumineux non unidirectionnels. L'invention peut ainsi être mise en œuvre en choisissant une fibre optique avec un cœur relativement « épais », généralement considérée comme de qualité inférieure notamment par rapport aux applications dans la télécommunication, et surtout, la faisceau lumineux n'a pas besoin d'être très fin et précis, comme ce serait le cas notamment avec une source relativement onéreuse tel qu'une source de rayon laser.
[0046] Le principe de la mesure reposant sur la détection du faisceau réfléchi, il va de soi que le guide d'onde doit être tel que le faisceau réfléchi peut être effectivement renvoyé. Ceci écarte les fibres optiques ayant une extrémité taillée en biseau notamment en vue de minimiser les réflexions, alors que les guides d'onde présentant une face clivée, perpendiculaire à la direction générale du faisceau lumineux sont préférées. Figure 3 sont représentés les trajets des faisceaux lumineux à l'interface du guide d'onde et du mélange. Sur cette figure, I0 désigne l'intensité du faisceau émis par la source lumineuse en direction du mélange d'indice de réfraction n2, IT, la part du faisceau lumineux transmis, IR la partie réfléchie et n1 l'indice de réfraction de la fibre optique.
[0047] Le système représenté à la figure 2 comporte de plus un système de séparation 5 pour accéder au faisceau réfléchi. Ce séparateur peut être par exemple une lame séparatrice, un cube séparateur ou autre moyen équivalent bien connu des spécialistes optique. Dans une variante plus spécialement préférée, ce séparateur est une jonction de fibres optiques en X ou de préférence encore en Y, l'injection se faisant de préférence par une des deux branches, comme illustré figure 4.
[0048] Dans le cas d'une jonction Y, considérée comme deux branches fusionnant en une branche, le faisceau lumineux est introduit par une des deux branches initiales, rejoint la branche commune, est reflété et le faisceau réfléchi est détecté dans la seconde branche. Ceci est illustré figure 3, dans laquelle E correspond à la source lumineuse émettrice, D au détecteur et R au milieu réfléchissant. Avantageusement, cette jonction Y sera telle que la plus grande partie du faisceau réfléchi est dirigée vers le détecteur, par exemple 99% du faisceau réfléchi étant dirigé vers le détecteur et seule la partie résiduelle, de l'ordre d'au plus 1 % continue en direction de la source lumineuse. [0049] Une jonction en X est également possible, avec par rapport au cas précédent une branche supplémentaire munie d'un second détecteur servant de donnée de référence.
[0050] Dans une autre variante de l'invention, le dispositif ne comporte pas de séparateur proprement dit mais une zone dans laquelle la fibre est dénudée (ou du moins est transparente à un rayon lumineux ayant une composante non strictement parallèle à la direction principale de la fibre. En effet, si la fibre est multi-mode, le faisceau lumineux se propage en partie par une succession de bifurcation contre les parois. Avec un « trou » dans la fibre, en regard duquel est placé un détecteur, on peut mesurer l'amplitude de la « fuite » et en déduire l'amplitude du faisceau réfléchi. Cette technique peut demander un étalonnage, par exemple en utilisant un mélange ayant un indice de réfraction identique à celui du guide d'onde de façon à identifier la « fuite » du faisceau lumineux émis.
[0051] En revenant sur la variante de l'invention illustrée figure 2, on note que le dispositif comporte un détecteur 6 permettant de mesurer l'intensité du faisceau réfléchi Ce détecteur est par exemple du type photodiode, joulemètre etc. Le détecteur est associé à une électronique de mesure et de commande, ici non représenté. Un dispositif du même type pourra être utilisé pour le détecteur optionnel 7, utilisé pour mesurer une intensité de référence ou pour détecter une panne du système d'éclairage.
[0052] Dans une variante particulière de l'invention, qui peut être mise en œuvre tout particulièrement lorsque la source lumineuse est une source laser, le « détecteur » peut en fait être constitué par des moyens d'observation de la source. En effet, dans la plupart des systèmes optiques, on cherche à minimiser la réflexion du faisceau lumineux, par exemple en taillant la face terminale de la fibre optique en biseau de façon à ce que le rayon réfléchi soit réorienté dans une direction perpendiculaire à la direction du rayon incident, car la réflexion vers la source conduit à une perturbation de la source laser. Dans cette variante de l'invention, on cherche en fait à tirer partie de cette perturbation pour observer le phénomène de réflexion. Une telle variante présente l'avantage qu'elle ne nécessite pas d'étape de séparation du faisceau réfléchi. [0053] Dans une autre variante de l'invention plus particulièrement préférée, la fibre optique choisie présente un indice proche du composant principal du mélange, l'intensité de la perturbation est alors une indication de la « dérive » de l'indice du mélange, autrement dit de l'intensité du faisceau réfléchi.
[0054] Un mode de fonctionnement de l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 5, dans laquelle les éléments communs avec la figure 2 portent les mêmes références. La lumière est injectée dans l'un des bras 10 du coupleur 5, ici un coupleur en Y. La lumière traverse le coupleur et est guidée dans la branche 1 1 jusqu'à l'extrémité sonde immergée dans le liquide dont on cherche à mesurer l'indice de réfraction. A l'interface entre la fibre et le liquide, la lumière est réfléchie vers l'intérieur de la fibre. L'intensité du faisceau réfléchi dépend du l'indice du liquide dans lequel la fibre est plongée. Le faisceau réfléchi est guidé par la fibre et une partie ressort par la branche 12 du coupleur 5 pour y être évalué par un détecteur. A partir de cette mesure on peut en déduire l'indice de réfraction du liquide. Un coupleur en « X » peut aussi être utilisé pour mesurer simultanément une intensité de référence avec un autre détecteur.
[0055] Connaissant l'ensemble des paramètres du mélange sauf celui que l'on veut mesurer (les concentrations relatives par exemple dans le cas d'un mélange de biocarburant et de produit pétrolier à température et espèce chimique donnée), si un seul paramètre évolue, une simple bijection permet d'accéder à l'information recherchée à partir de la mesure de l'intensité réfléchie et donc de l'indice de réfraction.
[0056] Si plus d'informations sont nécessaires, une extension de l'invention tirant avantage de la dispersion chromatique dans le liquide peut être utilisée. Tout matériau possède un indice de réfraction qui varie en fonction de la longueur d'onde. Cette variation est très forte au voisinage de résonances d'absorption qui sont caractéristiques des constituants du mélange. Cependant, même à des longueurs d'onde éloignées de ces résonances leurs influences sont sensibles.
[0057] En utilisant une mesure résolue spectralement, on peut donc caractériser plus finement le liquide sondé. Ce diagnostic peut être effectué facilement en modifiant légèrement l'invention décrite précédemment. [0058] On peut par exemple, tout simplement multiplexer plusieurs réfracto mètres en s'assurant que chaque émetteur fonctionne à une longueur d'onde différente. En reconstituant la courbe de dispersion chromatique du liquide on a ainsi une information supplémentaire pour l'analyser. Un moyen simple consiste par exemple à utiliser un ensemble de diodes électroluminescentes colorées, avec un mécanisme de type barillet pour sélectionner la diode de la couleur voulue. Les diodes électroluminescentes commercialisées peuvent émettre une lumière blanche ou une lumière colorée que nous considérerons comme « monochromatique », même si en pratique, les diodes émettent sur un spectre de longueur d'onde, mais relativement étroits dans le cas des diodes colorés. A noter qu'il est aussi possible d'utiliser des diodes qui émettent dans une gamme de couleur variant en fonction de la tension appliquée, dans ces conditions, une seule diode peut être utilisée en lui associant un moyen d'appliquer une tension variable.
[0059] Dans une autre variante de l'invention, la source lumineuse est choisie telle qu'elle émet dans une large gamme spectrale (là encore les diodes électroluminescentes constituent une solution commerciale de mise en œuvre relativement simple) associée à un ensemble de détecteurs placés en aval d'un filtre interférentiel. On pourra utiliser par exemple un coupleur 6DB, c'est-à-dire un coupleur qui décompose le signal réfléchi en 4 signaux portés par les 4 branches qui reçoivent chacune VA de l'intensité réfléchie. L'une des branches étant utilisée pour la source, on va pouvoir équiper chacune des 3 autres branches avec un filtre interférentiel de façon à détecter le rayon réfléchi dans une longueur d'onde donnée.
Les filtres interférentiels seront de préférence de type réseau de Bragg, qui ont l'avantage de pouvoir faire partie intégrante de la fibre, et donc constituent des systèmes robustes.
[0060] Les différentes variantes décrites précédemment peuvent bien entendu être combinées si besoin est.
[0061] De la description faite ci-dessus, l'homme de l'art ne manquera pas de noter que le procédé selon l'invention est mis en œuvre essentiellement via une simple fibre optique de quelques millimètres de diamètre, plongée dans le mélange à étudier. La conception ne nécessite aucun alignement et est très robuste mécaniquement. Toute la partie électronique de traitement du signal peut être éventuellement (mais non obligatoirement) réalisée en technologie semi-conducteur et fibre optique, c'est à dire en utilisant des technologies à faible coût, très largement maîtrisées et pouvant être facilement fabriquées à grande échelle.

Claims

Revendications
1. Procédé d'évaluation de la concentration en biocarburant d'un carburant constitué par un mélange de produits pétroliers et de biocarburants comportant l'évaluation de l'indice de réfraction du mélange par l'analyse de la réflexion par le mélange d'un faisceau lumineux convoyé d'une source lumineuse jusqu'au sein du mélange par un guide d'onde.
2. Procédé selon la revendication 1 , comportant de plus une étape de séparation du faisceau lumineux réfléchi.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce en ce que l'étape de séparation du faisceau lumineux réfléchi est effectué au moyen d'une jonction Y.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le guide d'onde est une fibre optique.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fibre optique est choisie telle que son indice de réfraction est en dehors de la plage d'indices bornée par l'indice d'un mélange contenant exclusivement du biocarburant et l'indice d'un fluide d'un mélange comportant exclusivement des produits pétroliers.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fibre optique est choisie telle que son indice de réfraction est égal à celui d'une des deux bornes.
7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité de la fibre optique en contact avec le mélange présente une face clivée.
8. Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la fibre est multi mode.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fibre comporte une portion dénudée et en ce que le détecteur est placé en regard de cette portion dénudée.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source lumineuse est une source laser.
1 1. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les perturbations de la source laser par le faisceau lumineux réfléchi sont observées pour la détection du faisceau lumineux réfléchi.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la source lumineuse est une diode électroluminescente.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse est polychromatique.
14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la diode électroluminescente émet dans une gamme de longueur d'onde étroite de sorte que la lumière émise n'est pas blanche.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le mélange est placé dans le réservoir d'un véhicule motorisé.
16. Procédé selon la revendication 13 selon lequel l'évaluation de la concentration en biocarburant est prise en considération pour ajuster au moins un paramètre de fonctionnement du moteur.
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