FR2711792A1 - Dispositif de mesure de flux lumineux. - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de mesure de flux lumineux comportant un circuit d'asservissement (10, 9) de gain recevant un signal (m) produit par un photorécepteur (1) incluant un circuit de commande de gain (9) et un comparateur (10), et relié à des moyens d'enregistrement (7, 8) et d'évaluation du signal électrique (m) fourni par le photorécepteur, ledit circuit d'asservissement (10, 9) comportant une mémoire (11) d'asservissement contenant des valeurs (a, b), caractéristiques d'une fonction (f), et produisant un signal d'asservissement (HT) dépendant du flux reçu (PHI) par le photorécepteur, adressé vers le circuit de commande du gain, de telle sorte que le gain soit: G = f (m).
Description
La présente invention concerne un dispositif de mesure de flux lumineux,
utilisable pour tout instrument
comportant un dispositif de mesure de flux lumineux, particulièrement utilisable pour des mesures en5 spectrométrie, polarimétrie, diffusiométrie.
La mesure de flux lumineux peut être réalisée par des dispositifs fondés sur des principes physiques très variés, parmi lesquels nous citerons les émulsions photographiques, les photomultiplicateurs, les tubes à balayage, les10 photodiodes, éventuellement en réseau, les tubes vidicons,
les détecteurs CCD (Charge-Coupled Devices) et CID (Charge-
Injection Devices).
Le choix d'un système de détection dépend des conditions particulières de la mesure que l'on cherche à réaliser et dépend, en particulier, de la vitesse de mesure
recherchée, de sa précision et de sa dynamique.
Le choix résulte finalement d'un compromis entre ces différents paramètres physiques et prend bien entendu en
considération également le coût des systèmes disponibles.
En particulier, de nombreuses mesures spectrométriques nécessitent ou bénéficient d'un dispositif de mesure de
flux lumineux ayant une grande dynamique.
A titre indicatif, les mesures de spectrométrie d'émission peuvent requérir plusieurs dizaines de milliers de mesures par seconde, une précision au moins égale à
1/4000 et une dynamique au moins égale à 106.
Actuellement, pour répondre à cette demande, on utilise essentiellement des photomultiplicateurs dont les signaux sont numérisés et utilisés par un ordinateur pour
fournir les mesures ou courbes recherchées.
La dynamique est alors limitée par la capacité du
convertisseur analogique/numérique digitalisant le signal.
Un convertisseur n bits permet un rapport 2n entre le plus
faible niveau détecté et le niveau maximum.
Des perspectives intéressantes sont ouvertes par les CCD ou CID, en particulier parce que ces détecteurs
n'émettent pratiquement aucun courant en l'absence de flux lumineux reçu, mais leurs performances en bruit intrinsèque et en dynamique nécessitent un temps d'intégration variable5 pouvant atteindre plusieurs dizaines de minutes.
Il est par ailleurs bien connu que le signal fourni par un photomultiplicateur dépend du niveau de la haute tension établie entre sa cathode et son anode. Le choix convenable de cette haute tension permet d'obtenir une précision satisfaisante dans un domaine
limité d'intensité du flux reçu.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure de flux lumineux qui ait une grande dynamique, sans
que cela ne porte atteinte à la précision des mesures qu'il15 fournit.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un tel dispositif de mesure de flux lumineux qui peut
permettre la réalisation de mesures rapides.
C'est encore un autre but de l'invention de proposer un tel dispositif de mesure de flux lumineux à un coût
relativement peu élevé.
A cet effet l'invention concerne un dispositif de mesure de flux lumineux comportant un photorécepteur à gain commandable, recevant le flux lumineux à mesure et fournissant un signal électrique (m), un circuit de commande de gain du photorécepteur, des moyens d'enregistrement et d'évaluation du signal électrique fourni par le photorécepteur et produisant la mesure recherchée. Selon l'invention, ce dispositif comporte un circuit d'asservissement de gain recevant un signal (m) produit par le photorécepteur incluant le circuit de commande du gain et un comparateur, et relié aux moyens d'enregistrement et d'évaluation du signal électrique fourni par le photorécepteur, ledit circuit d'asservissement pouvant comporter une mémoire d'asservissement contenant des
valeurs caractéristiques d'une fonction f et produisant un signal d'asservissement dépendant du flux reçu par le photorécepteur, adressé vers le circuit de commande du5 gain, de telle sorte que son gain soit: G = f (m).
Dans des modes de réalisation préférés, ce dispositif comporte les caractéristiques suivantes, prises dans toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le photorécepteur est un photomultiplicateur dont le gain est contrôlé par le niveau d'une haute tension, - le circuit d'asservissement du gain est un circuit analogique, - le circuit d'asservissement du gain est un circuit numérique, - il comporte un convertisseur courant-tension recevant le courant électrique s du photorécepteur et produisant la tension m au circuit d'asservissement du gain, - la fonction f (m) est une fonction linéaire a m + b du signal (m) produit par le photomultiplicateur, - la mémoire d'asservissement comporte deux potentiomètres déterminant les valeurs des paramètres a et b de la fonction f (m), - la fonction f (m) est une fonction non linéaire, - le comparateur comporte un amplificateur monté en mode différentiel, - le comparateur comporte un amplificateur monté en mode sommateur, - le circuit de commande de gain comporte un transistor ballast contrôlé par un transistor monté en générateur de tension, - le circuit de commande de gain comporte des
circuits à découpage.
L'invention concerne également un spectromètre comportant un dispositif de mesure de flux lumineux conforme à celui défini plus haut. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit en détail, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est un schéma de principe du dispositif de l'invention; - la Figure 2 est une représentation de la haute tension appliquée au photomultiplicateur en fonction du niveau d'intensité du flux lumineux reçu; - la Figure 3 est une représentation du circuit d'asservissement mis en oeuvre dans l'invention; - la Figure 4 est un exemple de courbe obtenue à partir des mesures réalisées avec le dispositif de l'invention; - les Figures 5 et 6 sont des Figures représentatives de mesures analogues à celles de la Figure 4 réalisées avec un dispositif de l'art antérieur, respectivement avec un
gain fort et un gain faible.
Le photomultiplicateur 1 comporte traditionnellement une cathode 2 recevant le flux lumineux 4 à mesurer 3 et émettant le signal de mesure s par son anode 4. Des dynodes interposées entre la cathode 2 et l'anode 4 amplifient le
courant produit par le photomultiplicateur 1.
Le signal s est transformé par l'amplificateur transconducteur 6 en une tension m, puis numérisé par le
convertisseur 7 et adressé à l'ordinateur 8.
Cet ordinateur 8 fournit à l'utilisateur la mesure
recherchée sous la forme voulue.
Une haute tension HT est établie par le générateur 9 entre la cathode et l'anode, et détermine le gain du photomultiplicateur 1, c'est-à-dire le rapport entre le flux lumineux reçu 3 et le courant s produit par le
photomultiplicateur 1.
Un comparateur 10 comprenant une mémoire d'asservissement 11 est destiné à fournir au circuit d'asservissement des paramètres de fonctionnement tels qu'il sera indiqué plus loin. Le circuit d'asservissement reçoit, par son entrée 12, le signal m fourni par le photomultiplicateur et, par son entrée 13, la valeur de la haute tension. Par sa sortie 14, il produit un signal d'asservissement adressé vers le
générateur de haute tension 9.
De manière traditionnelle, le gain G du photomultiplicateur 1 est déterminé par la formule suivante: G = (HT)cn dans lequel HT est la différence de potentiel exprimée en volts appliquée entre la cathode et l'anode du photomultiplicateur 1, c est un coefficient spécifique du photomultiplicateur, dépendant de sa géométrie et de la nature de ses différents composants, et n est le nombre de dynodes. Dans le cas présent, la boucle d'asservissement formée par le circuit de commande 9 et le circuit d'asservissement permet de contrôler la valeur de la tension HT et d'établir la relation: HT = f (m) entre la haute tension HT et m, le signal fourni après conversion du courant s par l'amplificateur 6. La mémoire 11 comporte les paramètres déterminant la fonction f et l'ordinateur 8 recevant m calcule le flux 3 reçu par le photomultiplicateur à partir du signal m et des paramètres
déterminant la fonction f.
Dans un mode de réalisation préféré, f (m) est une fonction linéaire: HT = a x m + b o a et b sont deux paramètres contenus dans la mémoire d'asservissement 11 et librement déterminés par
l'utilisateur.
Cette variation de la haute tension en fonction du signal m est représentée sur la Figure 2. La haute tension
est représentée en ordonnée; le signal m, représenté en abcisse, varie entre U mini pour le flux lumineux minimum5 et U maxi pour le flux lumineux maximum.
Pour un photomultiplicateur 1 alimenté en tension négative, a est un nombre de valeur positive, et b est une
tension négative exprimée en volts. Nous l'avons indiqué plus haut, m est une tension mesurée en volts.10 Ainsi, HT varie entre une valeur maximum HT max = b et une valeur minimum HT min = a x m max + b.
Ainsi, le gain du photomultiplicateur est:
G = (a x m + b)cn.
Les coefficients a, b et c déterminent ainsi la fonction de transfert du dispositif de mesure et sont avantageusement déterminés et modifiables par l'utilisateur. La tension électrique m est: m = G (m) I o G (m) est le gain et I le flux lumineux reçu par le photomultiplicateur. GO étant le gain maximum (pour une mesure minimale m = 0): m = GO x e K (m) o K (m) = GO G (m) on montre que: K (m) = (1 - a m)-8 o a = HT min - HT max HT max x m max et /= c x n Dans un cas particulier de réalisation, on choisit: HT max = - 1000 volts HT min = - 200 volts ce qui, pour le photomultiplicateur utilisé pour lequel 8 = 8, donne une mesure m max = 10 V. Ainsi: a = - 800 = 0,08 et K max = 390 625 Comme nous l'avons vu, la dynamique d'un dispositif de mesure de flux lumineux traditionnel, c'est-à-dire dans lequel le signal fourni par le photorécepteur est directement adressé, éventuellement après amplification, vers l'ordinateur, dépend de la capacité du convertisseur
analogique numérique.
Il est classique d'utiliser un convertisseur analogique numérique 12 bits procurant donc 4096 points de mesure. Selon l'invention, en raison de la contribution du coefficient multiplicateur K (m), cette dynamique est
multipliée par le coefficient K max.
Dans le cas de l'exemple numérique donné plus haut, ce coefficient K = 390 625, ce qui donne une mesure répartie sur 1,6 x 109 digits. Ramené en lumen, le système est ainsi apte à produire des mesures depuis le picolumen jusqu'à
plusieurs millilumens et ce, de façon continue.
Bien entendu, pour fournir la mesure, l'ordinateur doit pouvoir acquérir les valeurs a et P caractéristiques du fonctionnement du système de contrôle de gain et permettant de connaître le coefficient K. Ces coefficients a et 8 peuvent être extraits par un calcul itératif à partir de mesures de référence de la manière suivante: Deux couples de deux mesures de flux lumineux sont effectués. Pour chaque flux lumineux, respectivement A et B, une mesure est faite pour une valeur maximum de la haute tension (a = 0), et une autre dans les conditions de fonctionnement recherchées, c'est à dire avec les valeurs a et b représentatives de f(m) qui seront ultérieurement5 utilisées. Les tensions fournies pour la mesure de A étant, respectivement U AI et U A2, et de même pour la mesure de B, U B1 et U B2, les relations suivantes sont établies: (1 - a x U B2) - (1 - a U Bl)X = 0 obtenue après avoir posé: log (U A1 x U B2) X = + (U B1 x U A2) log (U A2) (U Ai) sachant que 1 > a > 0
U B1
(en effet, avec les valeurs numériques indiquées plus haut, a est compris entre 0,06 et 0,1, et X est de l'ordre de 0,7), puisque, comme nous l'avons vu plus haut, a = HT min - HT max HT max x m max compte tenu des valeurs numériques indiquées plus haut, HT min étant compris entre - 200 et - 300 volts et m max entre 8 et 10 volts, a min 2 - 300 + 1000 > 0,97 1000 x 10 a max < - 200 + 1000 < 0,10 - 1000 x 8 Il est ainsi possible de limiter a aux valeurs suivantes: 0,05 < a < 0,12 et a peut être utilisé à la valeur nominale a = 0,085 pour
réaliser une boucle d'itération.
Ainsi (1 - a x U B2) - (1 - a U B1)X = erreur.
Cette erreur tend vers 0 lorsque a tend vers sa valeur vraie. Le calcul itératif est interrompu lorsque cette erreur est inférieure en valeur absolue à 2 10-8. 1 est alors donné par l'équation suivante:5 (U A21 log (U Al) log (1 - a x U A1) La réalisation particulière du dispositif de mesure de flux lumineux va maintenant être décrite, plus
particulièrement en référence aux schémas de la Figure 3.
Sur cette Figure, l'ensemble 100 est une représentation détaillée du générateur de haute tension 9, l'ensemble 300 est une représentation détaillée des paramètres d'asservissement contenus dans la mémoire 11, et l'ensemble 200 est une représentation, également détaillée,
du comparateur 10.
Le générateur de haute tension 100 reçoit, par son entrée 17, une haute tension extérieure, par exemple à un niveau compris entre 1020 et 1050 volts avec un courant de
0,97 milliampères.
Il reçoit, par son entrée 16, le signal de commande d'asservissement provenant du comparateur 200 et produit, à sa sortie 15, la haute tension variable à laquelle est relié le photomultiplicateur dont le gain est ainsi
commandé.
Le transistor ballast Q1 reçoit, sur son émetteur 101, la haute tension extérieure de niveau constant et fournit,
par son collecteur 102, la haute tension variable en 15.
Le transistor Q2 reçoit sur sa base 104, reliée à
l'entrée 16, le signal provenant du comparateur 102.
Son émetteur 105 est relié à la masse et son collecteur 106 est relié au collecteur 107 d'un transistor NPN Q3 dont l'émetteur 108 est relié à l'émetteur 101 du
transistor Q1.
Le transistor Q3 est donc monté en générateur de courant constant, ce qui est rendu nécessaire en raison de la faible tension que peut supporter Q2, en l'état actuel
des composants disponibles.
La diode D1, reliée d'une part au collecteur 106 de Q2 et d'autre part à la base 103 de Q1, augmente la latitude
de réglage entre la base et l'émetteur de Q1.
La diode D2, les résistances Rl à R7 remplissent chacune les fonctions traditionnelles à ce genre de montage. Le comparateur 200 comporte un amplificateur 201
différentiel, monté en comparateur.
Il reçoit, sur l'une de ses entrées 202 reliée à
l'entrée 12, le signal m.
Par sa deuxième entrée 203, il est relié à la sortie
301 de la mémoire d'asservissement 300.
Dans l'exemple représenté, cette mémoire d'asservissement 300 comporte deux potentiomètres, respectivement P1 et P2, permettant de déterminer les paramètres a et b de la courbe f (m) et correspondant
approximativement chacun à l'un de ces paramètres.
L'amplificateur comparateur 201 produit, sur sa sortie 204, le signal d'asservissement destiné à l'entrée 16 du circuit
de commande de tension 100.
Les résistances R8 à R18 et les condensateurs C2 et C3 remplissent chacun des rôles habituels permettant le
fonctionnement des circuits représentés.
Le circuit décrit, et par là le dispositif de mesure de flux lumineux, a un faible coût et peut être utilisé, comme nous l'avons vu plus haut, avec un convertisseur analogique digital de faible dimension par rapport à la
dynamique procurée par ce système.
Son temps de réponse est rapide et le passage de haute tension de 250 à 1000 volts, dans un sens ou dans l'autre, peut être fait en environ 300 ps, le niveau de cette
tension étant contrôlé à 0,1 volt près.
Ce circuit permet également le fonctionnement du dispositif de mesure de flux lumineux dans des conditions
traditionnelles, en fixant la valeur du paramètre a à 0, ce qui maintient la haute tension à un niveau constant égal à5 b.
Au contraire, en donnant à a un niveau élevé, assimilable à l'infini, la mesure est maintenue constante au niveau b/a et la mesure de la haute tension est alors
représentative du flux lumineux reçu.
Il faut également souligner que ce dispositif ménage ainsi le photomultiplicateur par l'adaptation rapide de sa
haute tension au flux lumineux incident détecté.
La grande dynamique de ce dispositif lui permet de se révéler particulièrement efficace pour l'analyse de spectre, o il permet d'acquérir la totalité d'un spectre élémentaire d'un échantillon analysé, par exemple par spectrométrie d'émission. On a représenté sur les Figures 4, 5 et 6, respectivement un spectre obtenu selon l'invention et un spectre obtenu à fort gain et à faible gain constant à partir du même échantillon, le faible gain étant choisi comme nécessaire pour faire apparaître les raies particulièrement puissantes. Sur ces Figures, la longueur d'onde À est représentée en abcisse et l'intensité
du signal en ordonnée.
Le dispositif de mesure de flux lumineux à gain variable est bien adapté à l'élimination des bruits
inhérents au photomultiplicateur et perturbant les mesures.
En effet, il permet la séparation des impulsions parasites qui peuvent alors être reconnues et éliminées par
le traitement informatique de l'ordinateur.
Lorsque l'on effectue des analyses de couches à très haute vitesse, plusieurs canaux optiques perçoivent la quantité de lumière à une longueur d'onde donnée
représentative d'un élément.
Les concentrations de différents éléments peuvent être très variables comprises entre 100 % et une partie par million, ce qui représente une variation de 106, et donc une variation de même amplitude du signal reçu. La dynamique habituelle des photomultiplicateurs ne permet pas la mesure de l'ensemble de ces concentrations et, l'analyse étant destructive, il ne peut être question
de la recommencer avec des niveaux de gain différents.
Le dispositif de mesure de l'invention permet de
résoudre ces difficultés.
Par ailleurs, il existe maintenant des instruments qualifiés de "simultanés à balayage" dans lesquels
plusieurs canaux optiques sont répartis le long du spectre.
Chaque canal peut balayer une fraction du spectre et le spectre total peut couvrir tout ou partie du spectre total
de l'instrument.
L'intensité relative des raies spectrales est très différente pour des teneurs équivalentes entre les éléments constituant la matrice, ou même pour un même élément. La sensibilité d'un canal optique peut être alors trop forte ou insuffisante pour être utilisée rationnellement pour les différents éléments rencontrés sous forme de longueur
d'onde distincte lors du balayage.
Ici encore, le dispositif de mesure de flux lumineux décrit permet de résoudre cette difficulté grâce à sa
dynamique élevée.
Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques mentionnées dans les
revendications, ont pour seul but de faciliter la
compréhension de ces dernières, et n'en limitent aucunement
la portée.
Claims (13)
1. Dispositif de mesure de flux lumineux comportant un photorécepteur (1) à gain commandable, recevant le flux lumineux (a) à mesurer et fournissant un signal électrique5 (m), un circuit de commande de gain (9) du photorécepteur, des moyens (7, 8) d'enregistrement et d'évaluation du signal électrique (m) fourni par le photorécepteur (1) et produisant la mesure recherchée, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'asservissement (10, 9) de gain recevant un signal (m) produit par le photorécepteur (1) incluant le circuit de commande du gain (9) et un comparateur (10), et relié aux moyens d'enregistrement (7, 8) et d'évaluation du signal électrique (m) fourni par le photorécepteur, ledit circuit d'asservissement (10, 9) comportant une mémoire (11) d'asservissement contenant des valeurs (a, b), caractéristiques d'une fonction (f), et produisant un signal d'asservissement (HT) dépendant du flux reçu (4) par le photorécepteur, adressé vers le circuit de commande du
gain, de telle sorte que le gain soit: G = f (m).
2. Dispositif de mesure de flux lumineux selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photorécepteur (1) est un photomultiplicateur dont le gain est contrôlé
par le niveau d'une haute tension.
3. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que
le circuit d'asservissement (10, 9) du gain est un circuit analogique.
4. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que
le circuit d'asservissement (10, 9) du gain est au moins
partiellement numérique.
5. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce
qu'il comporte un convertisseur (6) courant-tension recevant le courant électrique (s) du photorécepteur et produisant la tension (m) au circuit d'asservissement du gain.
6. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fonction
f (m) est une fonction linéaire a m + b du signal (m)
produit par le photomultiplicateur.
7. Dispositif de flux lumineux selon la revendication 6, caractérisé en ce que la mémoire (11) d'asservissement comporte deux potentiomètres déterminant les valeurs des paramètres (a et b) de la fonction linéaire f (m) et plusieurs potentiomètres pour les paramètres a, b,... n d'une fonction f (m) non linéaire.
8. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fonction
f (m) est une fonction non linéaire.
9. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que
le comparateur (10) comporte un amplificateur (201) monté
en mode différentiel.
10. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que
le comparateur (10) comporte un amplificateur (201) monté
en mode sommateur.
11. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le circuit
de commande de gain (9) comporte un transistor (Q1) ballast
contrôlé par un transistor monté en générateur de tension.
12. Dispositif de mesure de flux lumineux selon l'une
des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le circuit
de commande de gain (9) comporte des circuits à découpage.
13. Spectromètre comportant un dispositif de mesure de flux lumineux conforme à l'une quelconque des
revendications 1 à 12.
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|---|---|---|---|
| FR9312585A FR2711792B1 (fr) | 1993-10-21 | 1993-10-21 | Dispositif de mesure de flux lumineux. |
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| US08/683,021 US5726438A (en) | 1993-10-21 | 1996-07-15 | Luminous flux measuring device with a gain-controlling slave circuit enabling the device to rapidly adapt to changes in flux |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR9312585A FR2711792B1 (fr) | 1993-10-21 | 1993-10-21 | Dispositif de mesure de flux lumineux. |
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| FR2711792B1 FR2711792B1 (fr) | 1996-12-20 |
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