FR2743146A1 - Refractive index measuring of fluid or viscous body - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention se rapporte à un réfractomètre et à un procédé pour mesurer, à une longueur d'onde et à une température données, l'indice de réfraction ou une variation d'indice de réfraction d'un fluide ou d'un corps visqueux isotrope et transparent à ladite longueur d'onde. The invention relates to a refractometer and to a method for measuring, at a given wavelength and at a given temperature, the refractive index or a refractive index variation of a viscous fluid or body. isotropic and transparent at said wavelength.
L'invention trouve en particulier son application dans la mise au point d'un réseau de fibres optiques associé à des canalisations de distribution de gaz et permettant d'en détecter les fuites éventuelles. The invention finds particular application in the development of an optical fiber network associated with gas distribution pipes and for detecting any leaks.
I1 s'agit en particulier dans ce cadre de mesurer la sensibilité de l'indice de réfraction de polymères à l'absorption de différents hydrocarbures composant le gaz naturel, et en particulier au méthane, ces polymères pouvant dès lors être utilisés, au moins localement, en tant que gaines de fibres optiques. It is particularly in this context to measure the sensitivity of the refractive index of polymers to the absorption of various hydrocarbons comprising natural gas, and in particular to methane, these polymers can therefore be used, at least locally. , as fiber optic sheaths.
On sait qu'il existe déjà des réfractomètres comprenant
- une source lumineuse pour émettre au moins un faisceau lumineux incident,
- une cuve prismatique disposée sur le chemin du faisceau lumineux et comprenant deux parois propres à se laisser traverser par ledit faisceau et disposées en "V" (inclinées l'une par rapport à l'autre),
- des moyens de détection mobiles autour de ladite cuve, pour détecter (au moins) le faisceau issu du faisceau incident et réfracté par la cuve,
- des moyens de mesure d'angle(s) de la position desdits moyens de détection autour de la cuve, et
- des moyens de calcul pour fournir, en fonction de la mesure d'angle(s) obtenue, l'indice de réfraction ou une variation d'indice de réfraction de l'échantillon dudit fluide ou corps coulant que l'on a introduit dans la cuve. It is known that there are already refractometers comprising
a light source for emitting at least one incident light beam,
a prismatic tank arranged on the path of the light beam and comprising two walls adapted to be traversed by said beam and arranged in "V" (inclined with respect to each other),
mobile detection means around said tank, for detecting (at least) the beam coming from the incident beam and refracted by the tank,
means for measuring the angle (s) of the position of said detection means around the tank, and
calculating means for providing, as a function of the angle measurement obtained, the refractive index or a variation of the refractive index of the sample of said fluid or flowable body which has been introduced into tank.
Un tel réfractomètre est illustré dans l'article "Laser light refractometer" pages 3010 à 3013 de la revue "Applied optics/vol. 23 Nr 17/1 September 1984". Mais, dans cet article, la mesure de l'indice de l'échantillon est fonction de l'indice n de réfraction d'un bloc parallélépipédique dans lequel la cuve prismatique a été façonnée. Such a refractometer is illustrated in the article "Laser light refractometer" pages 3010 to 3013 of the review "Applied optics / vol 23 No. 17/1 September 1984". But, in this article, the measurement of the index of the sample is a function of the index n of refraction of a parallelepiped block in which the prismatic vessel has been shaped.
Or, un intérêt essentiel de l'invention est de permettre de déterminer la valeur absolue de l'indice de réfraction de l'échantillon préalablement placé dans la cuve (ceci après "initialisation" du réfractomètre), à partir de la seule mesure de la déviation du faisceau incident, sans référence à un étalon d'indice. However, an essential interest of the invention is to make it possible to determine the absolute value of the refractive index of the sample previously placed in the tank (this after "initialization" of the refractometer), from the sole measurement of the deflection of the incident beam, without reference to an index standard.
A noter qu'une telle manière de procéder est également contraire aux méthodes traditionnelles de type "réfraction limite" ou réfection totale" qui, comme le réfractomètre précédent, donnent un indice relatif par rapport à celui d'un bloc (habituellement un bloc de verre) dont il est nécessaire de connaître l'indice à la longueur d'onde utilisée pour le faisceau lumineux incident et à la température de l'expérience. Note that this way of proceeding is also contrary to the traditional methods of the type "limit refraction" or total repair "which, like the previous refractometer, give a relative index compared to that of a block (usually a block of glass ) which is necessary to know the index at the wavelength used for the incident light beam and the temperature of the experiment.
On notera également que l'invention est par ailleurs différente de la méthode dite du "minimum de déviation" à travers un prisme, dans la mesure où cette méthode nécessite plusieurs réglages successifs avec rotation de la cuve. It will also be noted that the invention is also different from the so-called "minimum deflection" method through a prism, since this method requires several successive adjustments with rotation of the vessel.
La solution de l'invention proposée aux inconvénients notés dans l'art antérieur consiste, sur le réfractomètre déjà présenté
- en ce que chaque paroi du "V" de la cuve prismatique (fixe) comporte deux faces (rigoureusement) parallèles entre elles,
- en ce que lesdits moyens de mesure d'angle(s) comportent des moyens pour mesurer (a priori dans une phase dénommée "d'initialisation") un premier angle "a" entre le faisceau émis réfléchi par ladite première paroi du prisme et le faisceau direct, (non dévié, ni par la première, ni par la deuxième paroi du prisme), un deuxième angle "b" entre ledit faisceau réfléchi par la première paroi et celui réfléchi par la seconde paroi, et un troisième angle "D" correspondant à l'angle de déviation entre le faisceau réfléchi par ladite première paroi et le faisceau dévié par l'échantillon disposé dans la cuve, après mesure desdits premier et deuxième angles,
- et en ce que lesdits moyens de calcul comprennent des moyens pour mesurer l'indice de réfraction de l'échantillon, à partir de la formule
The solution of the invention proposed to the disadvantages noted in the prior art consists, on the refractometer already presented
in that each wall of the "V" of the prismatic vessel (fixed) has two faces (strictly) parallel to each other,
in that said angle measuring means comprise means for measuring (a priori in a so-called "initialization" phase) a first angle "a" between the emitted beam reflected by said first wall of the prism and the direct beam, (not deviated, neither by the first nor by the second wall of the prism), a second angle "b" between said beam reflected by the first wall and that reflected by the second wall, and a third angle "D "corresponding to the deflection angle between the beam reflected by said first wall and the beam deflected by the sample disposed in the tank, after measuring said first and second angles,
and in that said calculating means comprise means for measuring the refractive index of the sample, from the formula
étant l'indice de réfraction de l'air à une température (T) et pour une longueur d'onde donnée (A) . being the index of refraction of the air at a temperature (T) and for a given wavelength (A).
On va ainsi en particulier pouvoir effectuer des mesures à plusieurs longueurs d'onde, avec une précision meilleure que 10-4 sur la valeur de l'indice de réfraction n de l'échantillon et de 104 sur sa variation. Ces mesures permettront en particulier de constituer une base de données de polymères particulièrement sensibles à certains gaz, et en particulier au méthane. It will thus be possible in particular to perform measurements at several wavelengths, with a precision better than 10-4 on the value of the refractive index n of the sample and of 104 on its variation. These measures will in particular make it possible to build a database of polymers that are particularly sensitive to certain gases, and in particular to methane.
Un problème que s'est également attaché à résoudre l'invention concerne la réalisation pratique de la cuve prismatique et de son environnement structurel immédiat, compte tenu de la précision des mesures que l'on souhaite obtenir, d'une réalisation industrielle compacte souhaitée du réfractomètre, associée à une fiabilité de ce dernier. Another problem that the invention has also attempted to solve relates to the practical realization of the prismatic vessel and its immediate structural environment, taking into account the precision of the measurements that it is desired to obtain, of a desired compact industrial production of the refractometer, associated with a reliability of the latter.
La solution de l'invention est de proposer que ce réfractomètre soit tel que les moyens de détection sont montés sur une platine tournant autour de la cuve, suivant un axe de rotation situé à l'intérieur dudit prisme, à proximité de son arête, ladite cuve étant fixée à un bâti sur lequel est disposée fixement la source. The solution of the invention is to propose that this refractometer is such that the detection means are mounted on a turntable rotating around the vessel, along an axis of rotation located inside said prism, close to its edge, said tank being fixed to a frame on which is fixed the source.
L'invention s'est par ailleurs attachée à résoudre les problèmes liés à la définition des moyens de détection du réfractomètre, de manière à répondre aux exigences déjà énoncées de précision, fiabilité et réalisation industrielle. The invention has also endeavored to solve the problems related to the definition of the detection means of the refractometer, so as to meet the already stated requirements of accuracy, reliability and industrial realization.
La solution de l'invention est de proposer que les moyens de détection du réfractomètre comprennent
- des moyens cible de réception du faisceau considéré, ces moyens étant adaptés pour transformer en signaux électriques la position de l'impact dudit faisceau sur la cible,
- ainsi qu'une lentille de collimation interposée entre la cuve et les moyens de détection.The solution of the invention is to propose that the means for detecting the refractometer comprise
target receiving means of the beam considered, these means being adapted to convert the position of the impact of said beam on the target into electrical signals,
and a collimation lens interposed between the tank and the detection means.
Avantageusement, lesdits moyens cibles comprendront deux cellules sensibles audit faisceau lumineux séparées l'une de l'autre par un espace non sensible. Advantageously, said target means will comprise two cells sensitive to said light beam separated from each other by a non-sensitive space.
En ce qui concerne maintenant les moyens de mesure d'angle(s) et les moyens de calcul associés, on notera que l'invention s'est attachée à autoriser la mesure tant de l'indice de réfraction de l'échantillon que d'une variation de cet indice. With regard now to the angle measuring means and the associated calculating means, it will be noted that the invention has endeavored to allow the measurement of both the refractive index of the sample and the a variation of this index.
Dans le premier cas, les moyens de calcul du réfractomètre seront conçus pour fournir un calcul à partir
- des mesures desdits premier et deuxième angles, alors que la cuve est vide, puis dudit troisième angle (angle de déviation), alors que l'échantillon est dans la cuve,
- et de la formule mathématique déjà indiquée.In the first case, the calculation means of the refractometer will be designed to provide a calculation from
measurements of said first and second angles, while the vessel is empty, then said third angle (deflection angle), while the sample is in the tank,
- and the mathematical formula already indicated.
Dans le second cas, les moyens de mesure et de calcul seront adaptés pour relever plusieurs angles de déviation et pour effectuer un calcul de différence d'indice à partir de la même formule mathématique, respectivement. In the second case, the measurement and calculation means will be adapted to take up several angles of deviation and to perform an index difference calculation from the same mathematical formula, respectively.
Pour obtenir des résultats relatifs à une variation "fine" de l'indice d'un échantillon, il est à noter que le réfractomètre de l'invention permet tant des mesures en continu que des mesures ponctuelles (manuelles ou automatisées). To obtain results relating to a "fine" variation of the index of a sample, it should be noted that the refractometer of the invention allows both continuous measurements and point measurements (manual or automated).
Dans ce qui suit, on va maintenant présenter un peu plus en détail la présente invention dans le cadre d'un mode de réalisation préféré, ceci en relation avec des dessins d'accompagnement dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique générale d'un réfractomètre conforme à l'invention,
- la figure 2 montre la cuve avec les différents rayons qui viennent s'y réfléchir ou s'y réfracter,
- la figure 3 montre le bras pivotant porteur des moyens de détection,
- la figure 4 présente en vue agrandie de face de la bicellule de détection, repérée IV sur la figure 3,
- la figure 5 représente en vue de détail agrandie de la source lumineuse,
- la figure 6 illustre le principe de fonctionnement du réfractomètre de l'invention,
- et la figure 7 est la courbe de la variation de la tension issue de la bicellule (VA - VB), en fonction de l'angle de déviation (D), à une longueur d'onde donnée. In what follows, the present invention will now be described in more detail in the context of a preferred embodiment, this in relation to accompanying drawings in which
FIG. 1 is a general schematic view of a refractometer according to the invention,
- Figure 2 shows the tank with the different rays that come to think or refract,
FIG. 3 shows the pivoting arm carrying the detection means,
FIG. 4 is an enlarged front view of the detection bicell, marked IV in FIG. 3;
FIG. 5 represents an enlarged detail view of the light source,
FIG. 6 illustrates the operating principle of the refractometer of the invention,
- and Figure 7 is the curve of the variation of the voltage from the bicellule (VA - VB), as a function of the deflection angle (D), at a given wavelength.
Sur la figure 1 tout d'abord, on peut noter que le réfractomètre 1 se compose essentiellement de trois parties : une cuve prismatique 3, une source lumineuse 5 et un système de détection 7. A ce système de détection, est associée une unité de calcul 9 qui va permettre de fournir sur une unité d'affichage 11 des données relatives soit à l'indice de réfraction d'un échantillon disposé dans la cuve 3, soit à une variation de cet indice, en fonction d'une évolution physique ou chimique dudit échantillon consécutive, par exemple, à la pénétration du méthane dans un polymère. In FIG. 1 first of all, it can be noted that the refractometer 1 consists essentially of three parts: a prismatic vessel 3, a light source 5 and a detection system 7. A detection unit 7 is associated with this detection system. calculation 9 which will make it possible to supply on a display unit 11 data relating to either the refractive index of a sample disposed in the vessel 3, or to a variation of this index, as a function of a physical evolution or said consecutive sample, for example, to the penetration of methane in a polymer.
La cuve 3 et la source lumineuse 5 sont fixes par rapport au bâti 13 de l'appareil. The tank 3 and the light source 5 are fixed relative to the frame 13 of the apparatus.
Autour de la cuve de mesure est disposée une platine de rotation 15 solidaire du bras 17 sur lequel est monté en position fixe le dispositif de détection 7, ceci à l'opposé de la source 5. Around the measuring tank is arranged a rotation plate 15 integral with the arm 17 on which is mounted in a fixed position the detection device 7, this opposite the source 5.
I1 est à noter qu'avantageusement, l'axe de rotation 3a (figure 3) du bras pivotant 17 est situé à l'intérieur de la cuve, plus près de son arête 23 que de son extrémité, ou base, opposée, 33. En particulier, pour une hauteur H de prisme de 12 mm, la distance k entre l'axe 3a et l'arête 23 sera avantageusement d'environ 3 mm. A noter également que cet axe de rotation est situé à proximité du trajet suivi par le faisceau optique traversant le prisme. It should be noted that advantageously, the axis of rotation 3a (FIG. 3) of the pivoting arm 17 is located inside the tank, closer to its edge 23 than its end, or base, opposite, 33. In particular, for a prism height H of 12 mm, the distance k between the axis 3a and the edge 23 is advantageously about 3 mm. Also note that this axis of rotation is located near the path followed by the optical beam passing through the prism.
Concernant ce prisme, les figures 2, 3 et 6 montrent qu'il est constitué par deux parois 19 et 21, disposées en "V", c'est-à-dire formant, à l'endroit de l'arête 23, un angle P d'ouverture compris entre environ 58 et 62 . Concerning this prism, FIGS. 2, 3 and 6 show that it consists of two walls 19 and 21, arranged in "V", that is to say forming, at the location of the edge 23, a aperture angle P between about 58 and 62.
Les deux parois inclinées l'une vers l'autre, 19 et 21, sont deux lames transparentes pour les longueurs d'onde utiles aux mesures (lames de verre transparentes à 680 nm, 1,3 Zm et 1,55 pm). The two inclined walls toward each other, 19 and 21, are two transparent blades for wavelengths useful for measurements (transparent glass plates at 680 nm, 1.3 μm and 1.55 μm).
Les deux faces respectivement 19a, 19b et 21a, 21b de chaque lame sont strictement parallèles deux à deux. Et aucun bloc transparent n'entoure la cuve. The two faces respectively 19a, 19b and 21a, 21b of each blade are strictly parallel in pairs. And no transparent block surrounds the tank.
Pour constituer ce prisme, les deux lames 19, 21, peuvent être collées ensemble à l'endroit de l'arête 23 et être disposées à l'intérieur, sur deux faces inclinées de l'angle P, l'une par rapport à l'autre, d'un berceau de métal 25 (figure 1). To form this prism, the two blades 19, 21 may be glued together at the edge 23 and be arranged inside on two inclined faces of the angle P, one with respect to the other. another, a cradle of metal 25 (Figure 1).
Sur la figure 5, on voit que la source 5 peut en particulier comprendre trois diodes laser collimatées 27, 29, 31, et un ensemble de composants optiques 35, 37, 39, permettant d'envoyer à travers la cuve 3 un faisceau fin de lumière parallèle. In FIG. 5, it can be seen that the source 5 may in particular comprise three collimated laser diodes 27, 29, 31, and a set of optical components 35, 37, 39, making it possible to send through the tank 3 a thin beam of parallel light.
Dans l'exemple illustré, le composant 35 est un miroir de renvoi métallisé, le composant 37 est un cube séparateur polarisant et le composant 39 est une lame à faces parallèles avec traitement multicouches diélectriques. Les trois composants sont, dans l'ordre, associés à des diodes laser de 1550, 1330 et 670 nm. In the example illustrated, the component 35 is a metallized return mirror, the component 37 is a polarizing separator cube and the component 39 is a parallel-faced plate with dielectric multilayer processing. The three components are, in order, associated with laser diodes of 1550, 1330 and 670 nm.
La rotation d'une barre 41 percée d'ouvertures décalées angulairement 43, 45, 47 (ce pourrait être également des méplats) permet de sélectionner la longueur d'onde désirée. The rotation of a bar 41 pierced with openings angularly offset 43, 45, 47 (it could also be flats) to select the desired wavelength.
Le système de détection 7 est plus particulièrement illustré en partie sur la figure 3 et en partie sur la figure 4. The detection system 7 is more particularly illustrated partly in FIG. 3 and partly in FIG.
Il comporte, fixé sur le bras 17, une lentille de focalisation 51, ainsi que des moyens 53 de détection adaptés pour recevoir le faisceau réfracté dévié par le prisme 3 et issu du faisceau provenant de l'une des diodes laser 27, 29, 31, après renvoi d'angle en 54 (figure 1) et focalisation par la lentille 51. Le détecteur 53 peut en particulier consister en deux cellules photosensibles 55, 57, en forme de demidisques, séparées l'une de l'autre par une zone intermédiaire centrale 59, non sensible et très étroite. Le faisceau 53a a été schématisé en pointillé. It comprises, fixed on the arm 17, a focusing lens 51, as well as detection means 53 adapted to receive the refracted beam deflected by the prism 3 and coming from the beam coming from one of the laser diodes 27, 29, 31 , after angular translation at 54 (FIG. 1) and focusing by the lens 51. The detector 53 can in particular consist of two photosensitive cells 55, 57, in the form of half-discs, separated from each other by a zone central intermediate 59, non-sensitive and very narrow. The beam 53a has been schematized in dotted lines.
Bien entendu, son diamètre est plus important que la largeur de l'espace 59. Si l'impact du faisceau lumineux 53a est homogène et s'il est centré sur la zone 59, les signaux électriques délivrés par les cellules 55 et 57 sont égaux. Ces deux signaux sont envoyés sur un amplificateur différentiel 65 qui en fait la différence et l'amplifie. L'on mesure le signal résultant sur le voltmètre 63. Dans ce cas, le signal est nul. Dans le cas où l'impact du faisceau lumineux n'est plus centré sur la zone 59, il y a déséquilibre entre les deux signaux. Le signal électrique mesuré à la sortie de l'ampli différentiel n'est plus nul.Of course, its diameter is greater than the width of the space 59. If the impact of the light beam 53a is homogeneous and if it is centered on the zone 59, the electrical signals delivered by the cells 55 and 57 are equal. . These two signals are sent to a differential amplifier 65 which makes the difference and amplifies it. The resulting signal is measured on the voltmeter 63. In this case, the signal is zero. In the case where the impact of the light beam is no longer centered on the zone 59, there is imbalance between the two signals. The electrical signal measured at the output of the differential amplifier is no longer zero.
Dans les deux cas, le calculateur 9 en déduit la direction des faisceaux. In both cases, the computer 9 deduces the direction of the beams.
La bicellule 53 pourra être en InGaAs et présenter environ 1 mm de diamètre, avec une zone 59 d'environ 0,1 mm de largeur et par exemple un maximum de sensibilité vers 1400 nm. A noter que la surface sensible de la bicellule est avantageusement réglée au foyer de la lentille 51 et que la frontière entre les deux cellules est réglée perpendiculairement au plan de rotation de la platine 15, laquelle, avec le bras 17, est ici prévue pour être entraînée par l'intermédiaire d'un moteur pas à pas de commande 56. The bicellule 53 may be made of InGaAs and have a diameter of approximately 1 mm, with a zone 59 of approximately 0.1 mm in width and for example a maximum of sensitivity around 1400 nm. Note that the sensitive surface of the bicellule is advantageously set at the focus of the lens 51 and that the boundary between the two cells is set perpendicular to the plane of rotation of the plate 15, which, with the arm 17, is here intended to be driven via a stepper motor 56.
Le réfractomètre est équipé en outre d'un codeur optique incrémental en pas entier 58 (raccordé à la platine 15), ainsi que d'un micro-ordinateur 60, périphérique, auquel appartient l'unité de calcul 9, sa mémoire associée 12 et l'unité d'affichage 11. Ce micro-ordinateur pourra en particulier commander automatiquement la rotation du bras 17, à l'aide d'une interface classique (telle qu'une interface IEEE). The refractometer is furthermore equipped with an incremental optical encoder in full step 58 (connected to the plate 15), as well as a peripheral microcomputer 60, to which the calculation unit 9, its associated memory 12 and the display unit 11. This microcomputer can in particular automatically control the rotation of the arm 17, using a conventional interface (such as an IEEE interface).
Pour expliquer maintenant le fonctionnement du réfractomètre, considérons tout d'abord que l'on souhaite mesurer l'indice de réfraction d'un échantillon
Soit un faisceau fin monochromatique de rayons parallèles SOIO2D traversant la cuve prismatique 3 d'angle P à son arête (voir figure 2).To explain now how the refractometer works, consider first that we want to measure the refractive index of a sample
Either a monochromatic thin beam of SOIO2D parallel rays passing through the prismatic vessel 3 of angle P at its edge (see FIG. 2).
Les lois classiques de la réfraction permettent de calculer la valeur de l'indice de réfraction nua T d'un échantillon isotrope et transparent aux longeurs d'onde souhaitées, introduit dans la cuve 3, ceci en fonction des paramètres i, i' etP ; (A'):
Conventional laws of refraction make it possible to calculate the value of the refractive index nua T of an isotropic sample and transparent to the desired wavelengths, introduced into the tank 3, this as a function of the parameters i, i 'and P; (AT'):
<tb> <SEP> m0 <SEP> T,A
<tb> nT,# <SEP> = <SEP> sin <SEP> P <SEP> ( <SEP> sin <SEP> i <SEP> + <SEP> sin <SEP> i' <SEP> + <SEP> 2 <SEP> cos <SEP> <SEP> P <SEP> sin <SEP> i <SEP> sin <SEP> i') <SEP>
<tb>
i et i' sont les angles respectivement d'incidence et d'émergence du faisceau sonde S (ou faisceau incident) issu de l'une des diodes laser de la source 5. n0 T est l'indice de l'air ; T est la température de l'échantillon et d l'air, # la longueur d'onde du faisceau optique, ON et O'N', les normales aux parois respectivement 19 et 21 de la cuve 3.<tb><SEP> m0 <SEP> T, A
<tb> nT, # <SEP> = <SEP> sin <SEP> P <SEP>(<SEP> sin <SEP> i <SEP> + <SEP> sin <SEP> i '<SEP> + <SEP> 2 <SEP> cos <SEP><SEP> P <SEP> sin <SEP> i <SEP> sin <SEP> i ') <SEP>
<Tb>
i and i 'are the angles respectively of incidence and emergence of the probe beam S (or incident beam) coming from one of the laser diodes of the source 5. n0 T is the index of the air; T is the temperature of the sample and the air, # the wavelength of the optical beam, ON and O'N ', the normals at the walls 19 and 21 respectively of the tank 3.
Les mesures des constantes de montage i et
P, ainsi que de la variable i', vont être ici obtenues en utilisant les faisceaux réfléchis par les parois à faces parallèles de la cuve. En effet, les faisceaux laser sont aujourd'hui suffisamment puissants (en l'espèce environ 2 mW) pour qu'un détecteur 53 sensible, placé au foyer de la lentille 51, puisse détecter les directions des faisceaux réfléchis par ces parois.The measurements of the constants of assembly i and
P, as well as the variable i ', will be obtained here using the beams reflected by the walls with parallel faces of the tank. Indeed, the laser beams are today sufficiently powerful (in this case about 2 mW) for a sensitive detector 53, placed in the focal point of the lens 51, to detect the directions of the beams reflected by these walls.
Sur la figure 6, on a schématisé en 510, 51a, 51D et 51b la lentille 51 dans les différentes positions qu'elle occupe lors des mesures définies ciaprès de "o", "a", "D" et "b", respectivement. In FIG. 6, the lens 51 is schematized at 510, 51a, 51D and 51b in the different positions it occupies during the measurements defined below by "o", "a", "D" and "b" respectively .
DIR, RB et RH sont les directions des faisceaux optiques traversant la cuve, se réfléchissant sur sa première paroi 19 et sur la deuxième paroi 21, respectivement, ceci en l'absence d'échantillon, c'està-dire avec une cuve 3 vide (placée ici dans l'air). DIR, RB and RH are the directions of the optical beams passing through the tank, reflecting on its first wall 19 and on the second wall 21, respectively, this in the absence of sample, that is to say with an empty vessel 3 (placed here in the air).
La valeur de l'indice "n" va être donnée par la formule générale (A'), dans laquelle les constantes du montage i, P sont calculées à partir des directions DIR, RB et RH. The value of the index "n" will be given by the general formula (A '), in which the constants of the assembly i, P are calculated from the directions DIR, RB and RH.
Les trois premières mesures ci-après sont effectuées cuve vide (c'est-à-dire sans que celle-ci contienne l'échantillon). The first three measurements below are performed empty tank (that is to say without it contains the sample).
On va tout d'abord prendre pour origine des directions celle du faisceau RB réfléchi par la première face 19 de la cuve. We will first take directions from the direction of the beam RB reflected by the first face 19 of the tank.
Pour cela, le collimateur de direction, c'est-à-dire le bras 17, va tourner autour de l'axe 3a jusqu'au minimum de la différence de signaux électriques détectés par la bicellule 55, 57. Ceci correspond à la position marquée "O" sur la figure 6. For this, the direction collimator, that is to say the arm 17, will rotate about the axis 3a to the minimum of the difference of electrical signals detected by the bicellule 55, 57. This corresponds to the position marked "O" in Figure 6.
Une mesure de calage (origine) est alors effectuée, avec enregistrement via le codeur 58, dans l'unité de mémoire 12 du calculateur qui reçoit également les données du voltmètre 63.A calibration measurement (origin) is then performed, with recording via the encoder 58, in the memory unit 12 of the computer which also receives the data from the voltmeter 63.
On fait ensuite tourner le bras pour mesurer l'angle "a", c'est-à-dire l'angle entre le faisceau RB et le faisceau direct DIR. La mesure est enregistrée dans la mémoire 12. The arm is then rotated to measure the angle "a", i.e. the angle between the beam RB and the direct beam DIR. The measurement is stored in memory 12.
On continue ensuite la rotation pour mesurer l'angle "b" entre les faisceaux RB et RH. The rotation is then continued to measure the angle "b" between the beams RB and RH.
Cette deuxième mesure d'angle est également enregistrée dans l'unité 12. This second angle measure is also recorded in unit 12.
L'échantillon est alors introduit dans la cuve. Comme déjà indiqué, il s'agit d'un fluide (gaz, liquide) ou d'un matériau visqueux propre à être coulé dans la cuve. The sample is then introduced into the tank. As already indicated, it is a fluid (gas, liquid) or a viscous material suitable for being poured into the tank.
On mesure alors toujours par rotation du bras 17, la déviation "D", c'est à dire l'angle entre le faisceau réfléchi RB et le faisceau- DEV dévié par l'échantillon. The deviation "D", ie the angle between the reflected beam RB and the beam DEV deviated by the sample, is then always measured by rotation of the arm 17.
Par un programme informatique préalablement entré dans l'unité de calcul 9, on peut alors facilement exprimer i, P et i' en fonction des mesures a, b, D effectuées. By a computer program previously entered in the computing unit 9, it is then easy to express i, P and i 'as a function of the measurements a, b, D performed.
En effet
i = 90 - a (en degré)
2
b Cen degré)
P = 180 - b
2
Indeed
i = 90 - a (in degree)
2
b Cen degree)
P = 180 - b
2
<tb> i' <SEP> = <SEP> 90 <SEP> - <SEP> ( <SEP> ) <SEP> + <SEP> D <SEP>
<tb> (en degré)
Soit:
<tb> i '<SEP> = <SEP> 90 <SEP> - <SEP>(<SEP>)<SEP> + <SEP> D <SEP>
<tb> (in degree)
Is:
"a" et "b" sont des constantes du montage qui ne dépendent que de l'orientation du faisceau incident (S) par rapport à la cuve 3 et de l'angle d'arête "P de celle-ci. "a" and "b" are constants of the assembly which depend only on the orientation of the incident beam (S) with respect to the vessel 3 and the edge angle "P thereof.
Pour mesurer l'indice de l'échantillon, il suffit donc de mesurer "D", après avoir "initialisé" l'appareil par les mesures enregistrées de "a" et "b". To measure the index of the sample, it is therefore sufficient to measure "D" after having "initialized" the device by the recorded measurements of "a" and "b".
Pour mesurer des variations de cet indice, deux approches sont possibles : une mesure en continu ou des mesures ponctuelles, qu'elles soient manuelles ou automatisées. To measure variations of this index, two approaches are possible: a continuous measurement or one-off measurements, whether manual or automated.
Pour effectuer une mesure en continu, on va tout d'abord régler le collimateur 51 dans la direction du faisceau DEV (angle D), de manière à éclairer en l'espèce symétriquement la bicellule 53, c'est-à-dire en équilibrant le flux lumineux sur les deux parties actives 55, 57. Dans cette position, le signal de tensions électriques détecté est minimum. En laissant la bicellule fixe, on suit les variations de position du faisceau incident en mesurant ce signal électrique, en continu. To carry out a continuous measurement, the collimator 51 will first be adjusted in the direction of the beam DEV (angle D), so as to illuminate symmetrically the bicellule 53, that is to say, by balancing the luminous flux on the two active parts 55, 57. In this position, the detected voltage signal is minimum. Leaving the bicell fixed, we follow the position variations of the incident beam by measuring this electrical signal, continuously.
Etant donné que la répartition énergétique du flux n'est pas bien connue (voisine d'une gaussienne près de l'émission de la diode laser correspondante, mais déformée par les optiques de collimation), il paraît préférable de mesurer expérimentalement la fonction ss = f (VA - VB), plutôt que de réaliser un calcul de convolutions hasardeux ; avec ss = d/F, d déplacement linéaire du spot lumineux sur la bicellule,
F : focale du collimateur 51 et VA - V8 : différence de tension entre les deux cellules 55, 57, en fonction du décentrage du spot.Since the energetic distribution of the flux is not well known (close to a Gaussian close to the emission of the corresponding laser diode, but deformed by the collimation optics), it seems preferable to experimentally measure the function ss = f (VA - VB), rather than performing a calculation of hazardous convolutions; with ss = d / F, d linear displacement of the light spot on the bicellule,
F: focal length of the collimator 51 and VA - V8: voltage difference between the two cells 55, 57, as a function of the decentering of the spot.
Sur la figure 7, on voit que lors d'un essai effectué à la longueur d'onde de 670 nm, la zone de linéarité s'étend jusqu'à + 30 x 103 degré (angle D) correspondant à une variation maximum de l'indice "n" de l'échantillon de + 4 x
Pour des variations de "n" supérieures à quelque î- , on utilisera plutôt des mesures ponctuelles.In FIG. 7, it can be seen that during a test carried out at the wavelength of 670 nm, the linearity zone extends up to + 30 × 103 degree (angle D) corresponding to a maximum variation of 'index' n 'of the sample of + 4 x
For variations of "n" greater than a few, we will use punctual measurements instead.
Pour cela, au fur et à mesure des modifications de l'indice de réfraction de l'échantillon, par exemple à mesure que le gaz pénètre dans le polymère, on va rééquilibrer le flux sur la bicellule pour que la valeur de la tension fournie (VA - V8) soit toujours au minimum. Et lorsque l'équilibre va être stable dans le temps (en l'espèce caractéristiques d'un polymère saturé), on va noter la valeur de "D". Bien entendu, on aura préalablement déjà calculé la déviation pour le même échantillon, avant que le gaz n'y ait pénétré. For this, as changes in the refractive index of the sample, for example as the gas enters the polymer, rebalance the flow on the bicellule so that the value of the voltage supplied ( VA - V8) is always at a minimum. And when the equilibrium will be stable over time (in this case characteristic of a saturated polymer), we will note the value of "D". Of course, the deviation for the same sample will have already been calculated before the gas has penetrated.
La formule générale (A) permet de calculer la variation correspondante de "n". The general formula (A) makes it possible to calculate the corresponding variation of "n".
A noter que la valeur du rapport signal sur d'atteindre des variations de "n" inférieures à 104. Note that the value of the ratio signal on to reach variations of "n" inferior to 104.
A noter également que le rééquilibrage peut bien entendu être réalisé manuellement, mais qu'il est préférable d'utiliser alors un micro-ordinateur pour ramener vers l'équilibre la platine par une série de balayages autour de la position d'équilibre. Note also that the rebalancing can of course be done manually, but it is preferable then to use a microcomputer to bring the platinum balance by a series of sweeps around the equilibrium position.
A noter encore que ces mesures ont permis d'apprécier la vitesse de diffusion d'un certain nombre d'hydrocarbures utilisés dans les polymères étudiés. It should also be noted that these measurements made it possible to assess the diffusion rate of a certain number of hydrocarbons used in the polymers studied.
Le lecteur ne sera pas en outre surpris si l'on indique que le réfractomètre est très sensible à la température, c'est à dire que les indices des échantillons (et en particulier les polymères étudiés) sont sensibles à ce paramètre. Des moyens de régulation de la température ou un étalonnage peuvent donc être nécessaires. The reader will not be surprised if we indicate that the refractometer is very sensitive to temperature, that is to say that the indices of the samples (and in particular the polymers studied) are sensitive to this parameter. Temperature control means or calibration may therefore be necessary.
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FR9515759A FR2743146B1 (en) | 1995-12-29 | 1995-12-29 | REFRACTOMETER AND METHOD FOR MEASURING THE INDEX, OR VARIATION OF INDEX, OF REFRACTION OF A FLUID OR A VISCOUS BODY |
Applications Claiming Priority (1)
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FR9515759A FR2743146B1 (en) | 1995-12-29 | 1995-12-29 | REFRACTOMETER AND METHOD FOR MEASURING THE INDEX, OR VARIATION OF INDEX, OF REFRACTION OF A FLUID OR A VISCOUS BODY |
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CN105044032A (en) * | 2015-06-25 | 2015-11-11 | 陕西师范大学 | Experimental device and experimental method for demonstrating relationship between liquid refractive index and temperature |
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-
1995
- 1995-12-29 FR FR9515759A patent/FR2743146B1/en not_active Expired - Fee Related
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FR2743146B1 (en) | 1998-02-13 |
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