FR2586295A1 - Detecteur optique dielectrique d'humidite - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION SE RAPPORTE A UN DETECTEUR OPTIQUE DIELECTRIQUE D'HUMIDITE. CE DETECTEUR 10 COMPREND UN MIROIR DIELECTRIQUE 14 FORME D'UN SUBSTRAT TRANSLUCIDE PORTANT DE MULTIPLES COUCHES ALTERNEES DE DEUX MATIERES DIELECTRIQUES POREUSES, POUVANT ADSORBER L'EAU ET AYANT DES INDICES DE REFRACTION DIFFERENTS. UNE SOURCE 12 DE LUMIERE POLARISEE A BANDE ETROITE DIRIGE SON ENERGIE LUMINEUSE SUR LE MIROIR 14 ET DES DETECTEURS SONT PLACES AFIN DE RECEVOIR L'ENERGIE LUMINEUSE TRANSMISE 16 ET REFLECHIE 18 PAR LE MIROIR 14. UN LOGOMETRE 20 INDIQUE, EN FONCTION D'UN RAPPORT ENTRE LES ENERGIES LUMINEUSES TOMBANT SUR LES DETECTEURS 16, 18, L'HUMIDITE DE L'ATMOSPHERE ENTOURANT LE MIROIR 14. APPLICATION: DETECTION D'HUMIDITE DANS UNE ATMOSPHERE DANGEREUSE.
Description
La présente 'invention concerne un détecteur optique destiné à indiquer
l'humidité régnant dans une
atmospheère environnante.
Un objet général de la présente invention consiste à fournir un détecteur destiné à indiquer l'humidité régnant dans une atmosphère environnante, détecteur qui est peu onéreux à fabriquer et à installer, qui est précis sur une durée prolongée de fonctionnement, qui peut être facilement étalonné par du personnel non qualité ou semi-qualifié, et qui convient particulièrement bien
pour mesurer l'humidité dans un environnement dangereux.
Dans l'un de ses aspects, le détecteur d'humidité selon l'invention comprend un organe diélectrique poreux
destiné à adsorber l'humidité d'une atmosphère environ-
nante, une source de lumière à bande étroite destinée à diriger l'énergie lumineuse sur ledit organe diélectrique une longueur d'onde nominale choisie au préalable, ledit organe diélectrique comprenant au moins une couche d'une structure diélectrique poreuse dont l'épaisseur est 2() fonction du quart de la longueur d'onde nominale choisie
au préalable et de l'indice de réfraction de cette struc-
ture diélectrique poreuse, ainsi qu'un dispositif placé de manière à intercepter l'énergie lumineuse tombant sur ledit organe diélectrique en provenance de la source pour ' indiquer l'humidité régnant dans l'atmosphère entourant ledit organe diélectrique, en fonction des variations des caractéristiques de transmission/réflexion de la
lumière dudit organe diélectrique. *..
Plus particulierement, le détecteur d'humidité comprend un organe diélectrique comportant au moins uni( couche d'une matière diélectrique pour adsorber l'humidité d'une atmosphère environnante, une source de lumière placée de manière a d-iriger l'énergie lumineuse sur ledit organe diélectrique à une longueur d'onde nomindaleC choisie au préalable de maniere qu'une partie de ladite énergie électrique soit réfléchie par l'organe
dielectrique et qu'une autre partie de cette energie élec-
trique soit transmise à travers l'organe diélectrique, cet
2S86295
organe diélectrique comprenant au moins une couche d'une structure diélectrique poreuse dont l'épaisseur.est fonction du quart de ladite longueur d'onde nominale et de l'indice de réfraction de la structure diélectrique poreuse, un premier organe de détection de lumière placé de manière à recevoir l'énergie lumineuse transmise à
travers l'organe diélectrique, un second organe de détec-
tion de la lumière placé de manière à recevoir l'énergie lumineuse réfléchie par l'organe diélectrique, et un
organe destiné à indiquer l'humidité de l'atmosphère entou-
rant l'organe diélectrique, en fonction de l'énergie électrique dirigée vers les premier et second organes de détection. L'organe diélectrique peut comprendre un substrat translucide porteur d'au moins une couche d'une matière diélectrique placée de manière à intercepter l'énergie lumineuse provenant de la source de lumière. Le substrat translucide de l'organe diélectrique peut comporter de multiples couches de la matière diélectrique, ces couches successives ayant des indices de réfraction différents et, notamment, ces multiples couches peuvent être des couches alternees de deux matières diélectriques ayant
chacune un indice de réfraction différent.
L'invention et ses divers objets, caractéristiques
et avantages, se comprendra mieux à l'étude de la descrip-
tion détaillée suivante, présentée à titre illustratif et nullement limitatif en regard du dessin annexe sur
lequel: -
la figure 1 est un schéma d'un détecteur optique ld'humidité selon une forme actuellement préférée de rcalis.ition de l'invention; et la figure 2 est une coupe fragmentaire, à plus (rl(l echlcl lle, d'une partie du miroir diélectrique
faisiant partie du détecteur représenté sur la figure 1.
La figure 1 illustre une forme, actuellement
préférée, de réalisation d'un détecteur cptique 10 d'humi-
dité selon l'invention. Ce détecteur comprend une source 12 de lumière en bande étroite, telle qu'un laser ou une diode électroluminescente, qui transmet de l'énergie lumineuse à une longueur d'onde nominale X le long d'un trajet lumineux choisi au préalable. Un miroir diélectrique 14 est placé de manière à intercepter la lumière provenant de la source 12 et à en transmettre une premiere partie
sur un premier détecteur optique 16 tout en en réfléchis-
sant une seconde partie sur un second détecteur optique 1S. Les détecteurs 16, 18 peuvent comprendre des lentilles, 1t0 fibres optiques, réflecteurs collecteurs convenables ou
elérments analogues pouJr faire converger l'énergie élec-
trique sur une cellule photoélectrique de manière à oliten i r un signal de sortie de détecteur qui varie en fonction de l'intensité de la lumière tombant sur le détecteur. Les sorties des détecteurs 16 et 18 sont reliées t. un quotientmètre ou logomètre 20, destiné à indiquer l'humidité de l'atmosphère qui entoure le miroir diélectrique 14, en fonction d'un rapport entre les signaux de sortie des détecteurs. Le quotientmètre peut 0 comprendre des composants électroniques convenables pour produire un signal de softie qui est en relation lirnaire avec la teneur en humidité. Il vaut mieux que la source 12 de lumière émette de la lumière polarisée, puisqlle le pouvoir réflecteur du riliroi r 14 dépend de ' la polarisation de la lumiere incidente qui lui parvient. tri se réferant plus spécialemnent à la figure on. \x soit que le miroir diélectrique 14 comprend de ir,"fl';erene un substrat 22 translucide ct plat en Verre r(. si I îic.te,)u en une autre composition de verre sur () I.qu,lI.I sont d(eposees de multiples couches 24 à 32 d'une ma.lir('1 diélectrique ou qui est re\êtu d'une autre façon i r 11(, ou (c ces martières diélectriques. Les couches 24 a 3? comprenicnt d(le préférence de:; couches alternées de
d(1ux mati;re di lectriques ayant les i dices de réfrac-
li 1on dil' l'ricst, l es couches 24, 2' eL 32 étant d'une
premieère matière diélcectrique ayan, une épaisseur t1 es-
se,[ i e I( emient identi 1que, et lies co ilches intermédiaires 26
et 30 étant en une seconde matière d'épaisseur t2 essen-
Liel]cment identique. Les couches 24, 28 et 32 ont un indice de refraction relativement élevé, cependant - que
les couches 26, 30 ont un indice plus faible de réfraction.
Il est souhaitable de rendre madimale la différence entre les indices de réfraction des differentes couches, tous les autres facteurs étant égaux, afin de permettre un plus large intervalle ou un plus grznd étalement des
longueurs d 'orde en provenance de la source lumineuse 12.
On envisage actuellement que l'indice de réfraction des couches 2t-, 28 et 32 soit supérieur a 1,95, cependant que l'indice de réfraction des couches 26 et 30 doit être inrérieui à 1,5. (L'indice de refraction du substrat 22 en verre de silicate est d'envi-?on 1,45). Chaque
couche doit avoir une épaisseur de l'orde d'une demi-
longueur d'orde. C'est-à-dire que l'épaisseur t1 des couches 24, 28 et 32 doit être sensiblement égale à la longueur d'onde X nominale de la source lumineuse 12
divisée par q Jatre fois l'indice de réfraction correspon-
dant. De la même manière, l'épaisseur t2 des couches 26 et 30 doit être sensilement égale à la longueur d'onde X
divisée par quatre fois l'indice de réfraction correspon-
dant. Ainsi, l'épaisseur d'une couche est sensiblement égale a X/4n, ou X est ladite longueur d'onde nominale et n représente 1 'indice de réfraction de la couche en cause. Puisque l'indice de réfraction des couches 26 et 30
est inférieur à l'indice des couches 2L, 28 et 32, l'épais-
seur t2 est, de façon correspondante. supérieure a l'épais-
seur t.
Les couches 24 à 32 des matières peuvent être déposées ou appliquées en revêtement sur le substrat 22 en ut i rI iinl rn'ilmporte quel proce(dé conveaablle, comme des pro,'<d(:s (le dépot en phase vapeur. de projection de piHl \ris.,ti.r, pa rldio[réqucnce ou de dJ pt par faisceau ld'el cI.ton. Les ép,, i sseurs des couc es des matières preCilu(us ', 5t o:S ld paisseurs linori al( s, et il existe rn fai i d(s rolaranices variables seion le ou les procédés d. fI.ri c,, i)on que I 'on utilise. [les mait i res typiques,a indice élevé de réfraction, pour les couches 24, 28 et 32 coml)-renent Ti02, ZrO2 et ZnS. Des matières typiques, à plus flaible indice de réfraction, pour les couches 26 et comprennent 5i02, MgF2 et Na3AlFe. Toutes ces matières sont suffisamment poreuses pour ser/ir dans le détecteur
dieleetrique optique d'humidité de l'invention.
De façon générale, le fonct:onnement du détecteur de I 'invention se fonde sur le principe selon lequel le rapport du pouvoir réflecteur/pouvoLr de transmission du lI miroir diélectrique 14 varie en fonctionr. de la quantité du x alpur (d'eu adsorbée par Ies couches diélectriques 24 3 32. Des matières diélectriques poreuses, du type noté à titre d'exemple ci-dessus, adsorbent facilement la vapir de l'atmosphère entourant le miroir, de sorte que le rapport entre la lumière réfléchie par le miroir 14 et la lumière transmise par ce miroir reflète de manière prec"ise l'humidité existant dans un tel. environnement. Un avantage particulier de l'utilisation d'un quotientmètre, o loq(lomètre, selon la forme préférée de réalisation de l'invention, est que, si la variation absolue de pouvoir reflecteur ou de pouvoir de transmission risque d'être faible pour une faible variation d'humidité, la variation de Ileur rapport sera grande. C'est-à-dire que, puisque le Ioixoir réflecteur peut être de l'ordre de 99 %, une faible vari.ta ior, fractionnaire du pouvoir réflecteur va aboutir
s' Ti,( qrdrrde variation fractionnaire du pouvoir de trans-
mission, et a nsi à une grande variation de leur rapport.
On c)mprendra que les cinq couches de mat;ière dil(.tri (lue -eprésentées sur la f igure 2 ne constituent (T,'i,,1r \ óemple) illustratif. Il peut s'a,érer nécessaire, !a prat que de l'invention, de prevoir l'existence dl pli,15iuors autres couches alternées. On peut également \ Ti.,,(ie'r jqu( les principes de l 'invention soient mis
n roeuvre dan; une fenêtre comportant un revêtement diélec-
I rigli. anti-n Fl exiori. I)ans ce de -rier cas, le pouvoir
de trarisirrissiDn serait grand et le pouvoi.' réflecteur subi-
rail ilrne r aride variation tract.onnai re sous l'effet d'une faible variation de l'hunidité relative. Dans lI'un ou l'autre cas, on peut modifier la sensibilité et la reéponse dynamique du détecteur en modifiant la porosite
des films diélectriques.
Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'inven-
tion. de nombreuses modifications peuvent être apportées
au détecteur d'humidité décrit et représenté.
Claims (17)
1. Détecteur d'humidité, caractérisé en ce qu'il
comprend un organe diélectrique poreux (14) destiné à adsor-
ber l'humidité d'une atmosphère qui l'entoure, une source (12) de lumière a bande étroite pour diriger une énergie lumineuse sur ledit organe diélectrique (14) à une longueur
d'onde nominale choisie au préalable, ledit organe diélec-
trique poreux (14) comprenant au moins une couche d'une structire diélec(trique poreuse dont l'épaisseur est fonction du quart de la] ongueur d'onde nominale choisie au préalable
et de I 'indice (ldc réfraction de cette structure diélec-
trique poreuse, et un dispositif (16, 18, 20) place de manièro a intercepter l'énergie lumineuse tombant sur ledit or'gaien diélectrique (14) en provenance de la source (12) pour indiquer 1 humidité régnant dans l'atmosphère entourant l'orqane diéleetrique, en fonction des variations des caractéristiques de transmission/réflexion de la -lumière
dudit organe diélectrique (14).
2. Détecteur d'humidité selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe diélectrique (14) comprend un substrat translucide (22) sur lequel est placée au moins une couche (24) de matière diélectrique pour intercepter
l'(nerqie lumineuse provenant de la soiree i12).
3. Détecteur d'humidité seloi la revendication 2, ('aracterise en ce que l'organe diéle:triqte (14) comprend n substrat translucide (22) porteur de mJltiples couches (24. 2. 32; 26, 30) de matière(.) dié_ectricue(s), les couches
s;cc('ssi es tay.nt des indices de réfraction différents.
4. Détecteur d'humidité selon la revendication 3,
[r.lctrise en ce que les couches multiples (24 à 32) com-
prelliclt des c(uches alternées de detx ialières diélectri-
(li.es (24. 2S, 2; 26, 30)' ayant des iadi.es de réfraction
di tl''r t c s.
5. De eeteur d'humidité sel(n i a revehdication 4,
caractérisé en ce que les deux matières diélectriques com-
prer, rnenrt une matière (24, 28, 32) aya.t un indice de rl'ralet ion supérieur a 1,95 et une. seconride matière (26, 30)
ayant un indice de reéfraction inférieur a -,5.
r, &
6. Détecteur d'humidité selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première matière (24, 28, 32) 'est choisie parmi TiO2, ZrO2 et ZnS, et la seconde matière (26,
) est choisie parmi SiO2, MgF2 et Na3AlF6.
7. Détecteur d'humidité selon la revendication 6,
caractérise en ce que le substrat (22: est en une composi-
tion de verre de silicate.
8. Détecteur d'humidité selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des couches (24 à 32) a une épaisseur sensiblement égale à X/4n, o[ X est la longueur d'onde nominale et n représente l'indice de réfraction-de
la couche correspondante.
9. Détecteur d'humidité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif placé de manière à intercepter l'energie lumineuse comprend un organe (16) placé de manière à recevoir l'énergie lumineuse transmise
à travers l'organe diéleetrique (10).
10. Détecteur d'humidité selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif p:acé de manière
à recevoir l'énergie lumineuse comprend ur. organe (18) placé.
de manière à recevoir l'énergie lumrireuse réfléchie par
l'organe diéleetrique (14).
11. Détecteur d'humidité selcn la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositi- placé de manière à recevoir l'énergie lumineuse comprend in premier organe (16) placé de manière à recevoir l'énergiz lumineuse transmise a travers l'organe diéleetrique (14), un sccond organe (18) placé de manière à recevoir l'énergie lupineuse réfl'chie par l'organe d'électrique (14) et un t-cisième organe (20) 3() relic aux premier (16) et second (18) orciaes pour indiquer l'hIlmnidiLt cnri fonction combinée de- 1 énergie lumineuse rl,'riil'im;c 't die I e(nerije ltumineu se r(flctée par l'organe ( i 'l c t r ii e (C '4 J. I
12. D)t eteur d'humi di té seln la revendieation 11, Iaratris'e '. ce que le troisimc c r ane (20) comprend un mnio\ctn pour i.diquer l'humidité en fonction d'un rapport cntr,. I '(lvrJie liumi(lise transamise eL 1' energie lumineuse
r( jf I (t i e.
13. Détecteur d'humidité, caractérisé en ce qu'il comprend un organe diélectrique (14) comportant au moins une couche (24) de matiè-e diélectrique pour adsorber l'humidité d'une atmosphère environnante, une source (12) de lumière placée de manière à diriger l'énergie lumineuse sur cet organe diélectrique (14) à une longueur d'onde nominale choisie au préalable de manière qu'une partie de cette énergie lumineu-se soit réfléchie par l'organe diéle-trique (14) et qu'une autre partie de IO cette energie umineuse soit transmise à travers l'organe dliélectrique (1u), cet organe (14) comprenant au moins une
couche d'une s ructure diélectrique poreuse dont l'épais-
seur est fonction du quart de la longueur d'o'nde nominale
et cle l'indice de réfraction de cette structure diélec-
trique poreuse, un premier organe (1(6) de détection de la lumière,-placé de manière a recevoir l'énergie lumineuse transmise à travers l'organe diélectrique (14), un second organe (18) de détection de la lumière placé de manière a
recevoir l'énergie lumineuse réfléchie par l'organe diélec-
trique (14) et un organe (20) destiné à indiquer l'humidité de l'atmosphère entourant l'organe diélectrique (14), en fonction de l'énergie lumineuse diricéa vers les premier
(16) et second -'18) organes de détection.
14. Détecteur d'humidité seloi la revendication 13, ca,'acterise en oe que l'organe (20) d indication d'humidite
comprcnd un mocen sensible au rappo, t ces energies lumi-
neusc's regues;ur les premier (16) E.t 'econd (18). détec-
t ('U r' 5.
15. Détecteur d'humidité selon la revendication 14, f() e'ar.ic{trise en ce que l'organe dié ectrique (14) est. ou
cnmprend un miroir d iélectrique.
16. Détecteur d'humidité selcn la revendication 15, carddCeri-e en ce que le mioir diél(ci.rieue (14) comprend un substrat translucide (22) portant de rultiples couches (24 [à 32) de matière(s) diélectric:u(s), les couches
successives ayant des indices de réfract:ion différents.
17. Dtecteur d'humidité s.eln la revendication.16, caractérisé en ce que les couches multiples comprennent des couches alternées (24, 28, 32; 26, 30) de deux matières
diélectriques ayant des indices de réfraction différents.
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