FR2598502A1 - Differential absorption spectroscopy and turbidity apparatus using optical fibres - Google Patents
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Abstract
Description
Appareil différentiel de spectroscopie d'absorption
et de turbidité utilisant des fibres optiques
par Jean-Claude ANDRE, Directeur de Recherche au CNRS
et Michel PAN
La prise de l'information n'a pas fait de progres aussi spectaculaires que son traitement ou son transport. Or, la faible efficacité des méthodes actuelles de prise d'information chimique ou biochimique peut constituer un frein a l'évolution de méthodologies ou de techniques importantes.Differential absorption spectroscopy device
and turbidity using optical fibers
by Jean-Claude ANDRE, Research Director at CNRS
and Michel PAN
The gathering of information has not made as spectacular progress as its processing or transportation. However, the low efficiency of current methods of taking chemical or biochemical information can constitute an obstacle to the evolution of important methodologies or techniques.
La présente invention concerne la spectroscopie d'absorption et des mesures de turbidité. Parmi les applications connues de la spectrométrie d'absorption, l'étude de réactions chimiques in-situ, l'étude de l'évolution biologique dans des fermenteurs, l'analyse de concentrations dans des zones contaminées, citees ici a titre d'exemple, sont particulièrement délicates. The present invention relates to absorption spectroscopy and turbidity measurements. Among the known applications of absorption spectrometry, the study of in-situ chemical reactions, the study of biological evolution in fermenters, the analysis of concentrations in contaminated areas, cited here as an example , are particularly delicate.
Les progrès dans ces domaines dépendent naturellement des dispositifs instrumentaux dont peuvent disposer les expérimentateurs et en particulier des appareils de spectroscopie d'absorption et de mesure de turbidité.Progress in these areas naturally depends on the instrumental devices available to experimenters and in particular absorption spectroscopy and turbidity measurement devices.
Dans la plupart de leurs applications, les appareils de ce type travaillent en mode différentiel. Cela signifie que les mesures du facteur de transmission optique sont effectuées en même temps sur un echantillon de mesure et sur un échantillon témoin. Plus généralement, il est envisageable de réaliser une mesure différentielle entre deux échantillons de mesure soumis à des contraintes physiques, temporelles ou chimiques différentes. I1 est donc connu par l'art antérieur qu'un spectrophotomètre différentiel comprend un dispositif émetteur de photons monochromatiques, un distributeur optique permettant d'appliquer aux deux échantillons de mesure et témoin les radiations provenant de l'émetteur ainsi qu'au moins un photodetecteur recueillant la lumière transmise au travers des deux échantillons. In most of their applications, devices of this type work in differential mode. This means that the measurements of the optical transmission factor are carried out simultaneously on a measurement sample and on a control sample. More generally, it is possible to carry out a differential measurement between two measurement samples subjected to different physical, temporal or chemical constraints. It is therefore known from the prior art that a differential spectrophotometer comprises a device emitting monochromatic photons, an optical distributor making it possible to apply to the two measurement and control samples the radiations coming from the emitter as well as at least one photodetector collecting the light transmitted through the two samples.
Selon une caractéristique générale de la présente invention le montage différentiel n'utilise pas de distributeur optique et utilise un seul échantillon. De plus, pour permettre une mesure in-situ, le dispositif faisant l'objet de la présente invention utilise au moins une fibre optique reliant la zone de mesure et les autres composants de l'appareil. According to a general characteristic of the present invention, the differential assembly does not use an optical distributor and uses a single sample. In addition, to allow in-situ measurement, the device which is the subject of the present invention uses at least one optical fiber connecting the measurement area and the other components of the device.
Ce type de montage qui va être decrit ci-apres permet de résoudre les problèmes liés aux fermenteurs industriels qui necessitent
- l'absence de reactifs contaminants, la la stérilisation possible des capteurs,
- l'absence si possible d'interférences,
- la prise d'information rapide,
- un traitement du signal aussi reduit que possible,
- etc...This type of assembly which will be described below makes it possible to solve the problems linked to industrial fermenters which require
- the absence of contaminating reagents, the possible sterilization of the sensors,
- the absence, if possible, of interference,
- rapid information gathering,
- signal processing as reduced as possible,
- etc ...
Ce type de montage a egalement de l'intéret dans la prise d'information dans des réacteurs chimiques, en présence ou non de produits radioactifs et en particulier dans des conditions ou la sécurité de l'expérimentateur était limitée.This type of assembly also has interest in the taking of information in chemical reactors, in the presence or not of radioactive products and in particular in conditions where the safety of the experimenter was limited.
Le principe de la mesure de transmission de lumière entre deux fibres optiques fait partie des connaissances générales. Toutefois, si l'on veut utiliser un tel système maintenant classique, la salissure et les contaminations diverses qui peuvent intervenir par exemple dans les réacteurs chimiques ou biochimiques qui ont été déjà mentionnés font qu'il est toujours delicat de tirer des informations crédibles de mesures de transmission de lumière. The principle of measuring the transmission of light between two optical fibers is part of general knowledge. However, if one wants to use such a now conventional system, the soiling and various contaminations which can intervene for example in the chemical or biochemical reactors which have already been mentioned mean that it is always difficult to obtain credible information from measurements. light transmission.
Avec des fibres optiques.le principe d'une mesure repose sur l'emploi d'une source de rayonnement monochromatique ou rendu monochromatique. Ce rayonnement pénètre dans une fibre optique dite d'excitation, et donc est transmis dans la zone de mesure. Constitue par au moins une fibre optique et si necessaire par un miroir de renvoi placé à une distance t donnée de la source lumineuse secondaire, correspondant à l'extrémité de la fibre optique d'excitation qui n'est pas reliée à la source primaire de rayonnement, le montage permet de transmettre au détecteur la quantité de lumière non absorbée ou non diffusée par le milieu de mesure.La présente invention repose sur l'emploi d'une distance t variable dans le temps, permettant une mesure in-situ s'affranchissant des problemes lies à la transmission variable dans le temps des fibres optiques, à cause de leur salissure ou de leur dégradation partielle. With optical fibers, the principle of a measurement is based on the use of a source of monochromatic radiation or made monochromatic. This radiation penetrates into an optical fiber called excitation, and therefore is transmitted into the measurement area. Constituted by at least one optical fiber and if necessary by a deflection mirror placed at a given distance t from the secondary light source, corresponding to the end of the excitation optical fiber which is not connected to the primary source of radiation, the assembly makes it possible to transmit to the detector the quantity of light not absorbed or not diffused by the measurement medium. The present invention relies on the use of a distance t which is variable over time, allowing in-situ measurement s' eliminating problems linked to the time-varying transmission of optical fibers, because of their soiling or their partial degradation.
En admettant un montage en ligne oû la fibre d'excitation et la fibre d'analyse sont espacées d'une distance t et sont situées sur le même axe et en considérant un milieu homogène, par exemple, ne contenant qu'une substance absorbante a la longueur d'onde A, les calculs présentés ci-après vont permettre d'apprécier l'intérêt de la présente invention.En effet, si et c représentent respectivement le coefficient d'absorption moléculaire et la concentration de la substance, et si Io(X) est le flux de lumière sortant de la fibre optique d'excitation, alors, on mesure, à un facteur multiplicatif K(t), fonction de Q, le flux I(R,) transmis à la distance l quand les transmissions des fibres d'excitation et d'analyse s'expriment respectivement par Te(X) et T a I(#,l) =Te(#) Ta(#) K(l) .I0(#).exp [-#(#).c.l]
Si l'on modifie par des moyens qui font également l'objet de la orésente invention et qui seront décrits plus loin de façon détaillée, la distance l que nous appellerons maintenant l' on mesure alors I ') = Te(X) Ta(X) K(l').I0(#) . exp [- #(#).c.l'] ce qui permet de calculer la concentration du milieu sachant qu'elle correstsond à
ou la densité optique pour 1 cm de trajet optique correspondant à
D =
L'utilisation d'une modification de la distance inter-fibres permet d'éliminer les variations de Io(X) qui peuvent être consécutives à l'évolution de l'intensité de la source primaire mais surtout à l'évolution dans le temps des transmissions des fibres d'analyse et d'excitation liées en particulier aux variations de l'état de surface des extrémités des fibres placées dans le milieu de mesure.Assuming an in-line assembly where the excitation fiber and the analysis fiber are spaced apart by a distance t and are located on the same axis and considering a homogeneous medium, for example, containing only an absorbent substance a the wavelength A, the calculations presented below will make it possible to appreciate the advantage of the present invention. Indeed, if and c represent respectively the molecular absorption coefficient and the concentration of the substance, and if Io (X) is the light flux leaving the excitation optical fiber, then, we measure, at a multiplicative factor K (t), function of Q, the flux I (R,) transmitted at the distance l when the transmissions excitation and analysis fibers are expressed respectively by Te (X) and T a I (#, l) = Te (#) Ta (#) K (l) .I0 (#). exp [- # (#). cl]
If we modify by means which are also the subject of the present invention and which will be described later in detail, the distance l which we will now call we then measure I ') = Te (X) Ta ( X) K (l '). I0 (#). exp [- # (#). c.l '] which allows to calculate the concentration of the medium knowing that it correstsond to
or the optical density for 1 cm of optical path corresponding to
D =
The use of a modification of the inter-fiber distance makes it possible to eliminate the variations of Io (X) which can be consecutive to the evolution of the intensity of the primary source but especially to the evolution in time of transmissions of the analysis and excitation fibers linked in particular to variations in the surface condition of the ends of the fibers placed in the measurement medium.
Rappelons qu'à l'aide d'un système n'utilisant pas le procédé faisant l'objet de la présente invention, on mesure une valeur apparente
qui dépend de l'évolution dans le temps de la concentration mais également des transmissions Te(X) et
Remarquons enfin que le calcul présente ici n'est fait que pour comprendre le principe de l'invention qui a de l'intérêt pour l'analyse de solutions complexes contenant au moins un produit absorbant et des substances diffusant la lumière à la longueur d'onde x d'excitation.Recall that using a system not using the method which is the subject of the present invention, an apparent value is measured
which depends on the evolution over time of the concentration but also on the Te (X) and
Finally, note that the calculation presented here is only made to understand the principle of the invention which is of interest for the analysis of complex solutions containing at least one absorbent product and substances diffusing light over the length of x excitation wave.
D'autres caractéristiques et avantages de la presente invention apparaitront a l'examen de la description détaillée ci-après, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est un schema de principe d'un appareil selon l'invention,
- la figure 2 est un schéma de principe d'un appareil selon l'invention dans lequel on utilise un dispositif diffusant ou réfléchissant la lumière,
- la figure 3 est une représentation possible de l'évolution temporelle de la distance interfibres t.Other characteristics and advantages of the present invention will appear on examining the detailed description below, as well as the appended drawings, in which
FIG. 1 is a block diagram of an apparatus according to the invention,
FIG. 2 is a block diagram of an apparatus according to the invention in which a device diffusing or reflecting light is used,
- Figure 3 is a possible representation of the time course of the interfiber distance t.
Sur la figure 1, une source de lumière qui provient d'un emetteur de photon 1 qui peut avantageusement être soit un laser accordable, soit une source plus classique adaptee à un disperseur 2, est appliquee a une extrêmite d'un conducteur optique 3 grâce à une optique appropriée. L'autre extrêmité de la fibre optique penètre dans le milieu de mesure 5. Co-axialement, une autre fibre 6 est placée dans ce même milieu, à une distance variable 7 de l'extrémité de la fibre d'excitation qui n'est pas reliée à la source primaire de rayonnement. L'autre extrémité de la fibre d'analyse est reliee a un photodétecteur qui avantageusement peut être un photomultiplicateur 8. In FIG. 1, a light source which comes from a photon emitter 1 which can advantageously be either a tunable laser, or a more conventional source adapted to a disperser 2, is applied to one end of an optical conductor 3 thanks to an appropriate lens. The other end of the optical fiber enters the measurement medium 5. Co-axially, another fiber 6 is placed in this same medium, at a variable distance 7 from the end of the excitation fiber which is not not connected to the primary source of radiation. The other end of the analysis fiber is connected to a photodetector which advantageously can be a photomultiplier 8.
Le signal électrique 9 peut avantageusement être transmis après amplification dans la mémoire d'un microordinateur 10. La fibre optique d'analyse est rendue mobile dans le milieu de mesure grâce a un asservissement 11 avec un moteur 12 permettant le deplacement de la fibre. Pour des raisons d'étanchéité, la fibre peut avantageusement coulisser dans un cylindre ne laissant pas s'écouler le milieu de mesure ; elle peut de façon préférentielle être fixée a un ressort métallique creux 13, déjà connu dans l'art antérieur. The electrical signal 9 can advantageously be transmitted after amplification in the memory of a microcomputer 10. The optical fiber for analysis is made mobile in the measurement medium thanks to a servo 11 with a motor 12 allowing the displacement of the fiber. For sealing reasons, the fiber can advantageously slide in a cylinder which does not allow the measurement medium to flow; it can preferably be fixed to a hollow metal spring 13, already known in the prior art.
Ce ressort peut être réalisé dans des matériaux ayant de bonnes propriétés mécaniques, inertes chimiquement ou vis-a-vis des especes biologiques. Le microordinateur 10 peut avantageusement être relié au moteur 12 de déplacement de la fibre d'analyse 14 et au dispositif de défilement des longueurs d'onde de la source primaire 15 pour permettre une commande et une connaissance de t et de A. A titre d'exemple, le moteur 12 peut être très simple comme un électroaimant ou plus complexe comme un moteur pas à pas attaquant une vis sans fin 11. This spring can be produced in materials having good mechanical properties, chemically inert or with respect to biological species. The microcomputer 10 can advantageously be connected to the motor 12 for moving the analysis fiber 14 and to the device for scrolling the wavelengths of the primary source 15 to allow control and knowledge of t and of A. By way of For example, the motor 12 can be very simple like an electromagnet or more complex like a stepping motor driving a worm 11.
Dans cette description simplifiée, la fibre optique d'analyse 6 est supposée être mobile, il pourrait être tout aussi bien possible de déplacer la fibre d'excitation 3 et même les deux. Ces conducteurs de lumière peuvent être des monofibres ou des multifibres ; ilspeuvent être utilisés avec des dispositifs optiques, connus dans l'art antérieur, rendant l'émission de lumière quasi parallèle dans le milieu à analyser, ce qui peut être avantageux dans certains cas. In this simplified description, the optical analysis fiber 6 is assumed to be mobile, it could just as easily be possible to move the excitation fiber 3 and even both. These light conductors can be monofibers or multifibers; they can be used with optical devices, known in the prior art, making the emission of light almost parallel in the medium to be analyzed, which can be advantageous in certain cases.
La fioure 2 représente une autre representation d'un montage selon l'invention. Seuls sur cette figure sont représentés les élériients définissant le capteur d'information. Les fibres optiques d'excitation 3 et d'analyse 6 sont coaxiales. Il s'agit soit de deux fibres accolées, soit d'une fibre double coaxiale déjà connue dans l'art antérieur. La lumière émise par l'extrémité de la fibre d'excitation atteint,lorsque le milieu a analyser est transparent, un dispositif réfléchissant ou diffusant la lumière 16. Fioure 2 represents another representation of an assembly according to the invention. Only in this figure are represented the elements defining the information sensor. The optical excitation 3 and analysis 6 fibers are coaxial. It is either two fibers joined together, or a double coaxial fiber already known in the prior art. The light emitted by the end of the excitation fiber reaches, when the medium to be analyzed is transparent, a device reflecting or diffusing the light 16.
Ce dispositif est placé à une distance connue 17 des deux fibres 3 et 6. Une partie de la lumière est réfléchie ou diffusée dans la direction de la fibre d'analyse 6 et pénètre dans celle-ci. Le dispositif de renvoi de la lumière est fixe sur un support 18 lui-meme relié a un système 19 permettant son déplacement comme cela a ete décrit plus haut. Le déplacement du dispositif de renvoi est réalisé de la même façon que cela a eté décrit ci-dessus.This device is placed at a known distance 17 from the two fibers 3 and 6. Part of the light is reflected or scattered in the direction of the analysis fiber 6 and enters it. The light return device is fixed on a support 18 itself connected to a system 19 allowing its movement as has been described above. The displacement of the return device is carried out in the same way as has been described above.
Un étalonnage prealable du système de mesure est realisé grâce a des substances absorbant la lumière dans la zone spectrale d'intérêt a des concentrations connues. Cet étalonnage permet en particulier de connaitre la fonction d'appareil K(t) valeur qui est gardée en mémoire dans le microordinateur. Selon les programmes utilises et les applications prévues l'appareil peut fonctionner des façons suivantes - En contrôle industriel, on se place souvent une seule longueur d'onde bien sélectionnée et l'on cherche a mesurer l'évolution du signal transmis au cours du temps (ou sa stabilite).Pour ce type de mesure, il n'est pas nécessaire de travailler avec un microordinateur et le système de modification du trajet optique peut lui-même etre simplifié. On peut a titre d'exemple, utiliser un électroaimant ou un moteur synchrone couplé par un système biellemanivelle au système. La figure 3 illustre l'évolution temporelle des signaux dans ces conditions d'utilisation particuliere. La fréquence de deplacement peut être adaptée à l'évolution prévisible de la concentration ; elle ne peut pas toutefois etre supérieure à quelques hertzs. A preliminary calibration of the measurement system is carried out using light absorbing substances in the spectral zone of interest at known concentrations. This calibration makes it possible in particular to know the device function K (t) value which is kept in memory in the microcomputer. Depending on the programs used and the applications planned, the device can operate in the following ways - In industrial control, we often place a single wavelength well selected and we seek to measure the evolution of the signal transmitted over time (or its stability). For this type of measurement, it is not necessary to work with a microcomputer and the system for modifying the optical path can itself be simplified. We can, for example, use an electromagnet or a synchronous motor coupled by a crank system to the system. FIG. 3 illustrates the temporal evolution of the signals under these particular conditions of use. The frequency of displacement can be adapted to the foreseeable evolution of the concentration; however, it cannot be greater than a few hertzs.
- Le dispositif de modification du trajet optique peut avantageusement utiliser un moteur pas a pas et une came définissant des distances discrètes tos l1 ... tn réparties selon une loi logarithmique. Le principe de fonctionne- ment du dispositif est alors le suivant : le microordinateur 10 commande le moteur pas à pas 12 pour que le trajet optique dans le milieu de mesure soit minimal, soit tO. On mesure alors un signal lo La mesure réalisée et stockée en mémoire, le moteur agit pour atteindre tî. Soit I1 le signal pour t = l1. - The device for modifying the optical path can advantageously use a stepping motor and a cam defining discrete distances tos l1 ... tn distributed according to a logarithmic law. The operating principle of the device is then as follows: the microcomputer 10 controls the stepping motor 12 so that the optical path in the measurement medium is minimal, ie t0. A signal lo is then measured. The measurement carried out and stored in memory, the motor acts to reach tî. Let I1 be the signal for t = l1.
Si 11 est compris entre 0,16.Io et 0,4.I0 la mesure est effectuée. On garde alors en mémoire la valeur du signal et de t1. Si le signal est inferieur à 0,16.Io mais reste supérieur a 0,01.I0, la mesure est réalisée tout en sachant qu'elle est moins précise que précédemment. Si elle est inférieure à 0,01.Io, l'ordinateur signale I'impossibilité de réaliser une mesure précise. Si le signal est superieur a 0,4.Io, on adapte t pour passer à t2 et la même comparaison est réalisée. Si t n représente la longueur maximale du trajet, la mesure n'est pas faite si le signal In est supérieur à 0,9.Io. Les valeurs présentées ici ne sont données qu'a titre indicatif pour définir le principe de fonctionnement du dispositif selon l'invention. Connaissant k(t), on calcule alors facilement la densité optique à la longueur d'onde considérée et l'on passe à la longueur d'onde d'analyse suivante.If 11 is between 0.16.Io and 0.44.I0 the measurement is carried out. We then keep in memory the value of the signal and of t1. If the signal is less than 0.16.Io but remains greater than 0.01.I0, the measurement is carried out while knowing that it is less precise than previously. If it is less than 0.01.Io, the computer signals the impossibility of making an accurate measurement. If the signal is greater than 0.44.Io, we adapt t to go to t2 and the same comparison is made. If t n represents the maximum length of the path, the measurement is not made if the signal In is greater than 0.9.Io. The values presented here are only given as an indication to define the operating principle of the device according to the invention. Knowing k (t), the optical density is then easily calculated at the wavelength considered and the next analysis wavelength is passed.
Ces deux présentations définissent deux modes de fonctionnement extrêmes. Il va de soi qu'une modification des logiciels permet d'obtenir des mesures dans d'autres conditions. These two presentations define two extreme operating modes. It goes without saying that a modification of the software makes it possible to obtain measurements under other conditions.
Toutefois, pour un trajet optique de 1 cm, les appareils commerciaux classiques peuvent mesurer des densités optiques comprises environ entre 0,05 et 2. L'utilisation de valeurs t. O to variables entre 0,5 mm et 5 cm grâce au dispositif decrit ci-dessus permet d'effectuer avec le même capteur des mesures de densite optique comprises, pour un cm de trajet optique, entre 0,01 et 40 environ. However, for an optical path of 1 cm, conventional commercial devices can measure optical densities of between approximately 0.05 and 2. The use of t values. O to variables between 0.5 mm and 5 cm thanks to the device described above makes it possible to carry out, with the same sensor, optical density measurements included, for a cm of optical path, between 0.01 and 40 approximately.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR8519083A FR2598502A1 (en) | 1985-12-23 | 1985-12-23 | Differential absorption spectroscopy and turbidity apparatus using optical fibres |
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Publications (1)
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FR2598502A1 true FR2598502A1 (en) | 1987-11-13 |
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FR (1) | FR2598502A1 (en) |
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