FR2801671A1

FR2801671A1 - Dispositif de mesure, par diffraction, de tailles de particules sensiblement spheriques, notamment de gouttes opaques

Info

Publication number: FR2801671A1
Application number: FR9914992A
Authority: FR
Inventors: Metz Jean De
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-06-01
Anticipated expiration: 2019-11-29
Also published as: EP1240496A1; JP2003515738A; FR2801671B1; US6850324B1; WO2001040766A1

Abstract

Dispositif de mesure, par diffraction, de tailles de particules sensiblement sphériques, notamment de gouttes opaques.Ce dispositif comprend des moyens (40, 42, 44) pour recevoir la lumière diffractée par les particules (12) éclairées par un faisceau lumineux, séparer cette lumière diffractée en des zones annulaires concentriques et concentrer les parties de la lumière diffractée, correspondant à ces zones, en des points (24, 26, 28) différents les uns des autres. On détecte les intensités lumineuses correspondant à ces points et les tailles des particules sont déterminées en fonction de ces intensités lumineuses. La découpe angulaire des zones concentriques est choisie selon une loi qui optimise la discrimination des tailles des gouttes.

Description

DISPOSITIF DE MESURE, DIFFRACTION, DE TAILLES DE PARTICULES SENSIBLEMENT SPHÉRIQUES, NOTAMMENT DE GOUTTES OPAQUES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de mesure, diffraction," de tailles'-de particules sensiblement sphériques.

Elle s'applique notamment à la mesure de tailles de gouttes opaques mais a aussi de nombreuses applications en granulométrie.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE On connaît ' à un appareil commercialement disponible, destiné à mesurer, par diffraction, les tailles de gouttes opaques dont les diamètres vont de 0,1 um à 100 um.

Dans cet appareil connu, on éclaire un ensemble de ces gouttes au moyen d'un laser. Les gouttes diffractent à 'infini la lumière émise par le laser. Pour chaque goutte, supposée sphérique, la lumière ainsi diffractée admet l'axe optique de l'appareil comme axe symétrie de révolution.

On mesure la lumière diffractée dans le plan focal d'une lentille convergente. On sait que, dans ce plan, l'éclairement E obéit à la loi suivante

où Z est égal à 2n x R x oc/1.

Dans l'égalité ci-dessus on a consideré l'éclairement E obtenu, dans le plan focal, pour N gouttes de même rayon R, dont l'éclairement est noté Eo obtenu avec une lumière de longueur d'onde X (par exemple égale à 0,5 um) ; la distance focale F de la lentille vaut par exemple 200 mm, oc est l'angle de diffraction et J1 représente la fonction de Bessel ordre 1.

Afin d'expliquer les inconvénients de appareil connu, considérons par exemple deux familles gouttes, l'une comprenant des gouttes de 1 pm de diamètre tandis que l'autre comprend des gouttes de 10 um de diamètre.

Pour éviter un processus de diffraction en cascade, il faut limiter le nombre de gouttes dans le volume éclairé par le laser.

Pour ce faire, on choisit un nombre N de gouttes de 1 um de diamètre tel que ces gouttes absorbent 10% de la lumière reçue du laser. En supposant que ce dernier éclaire une aire de 1 mm2, section transversale de l'ensemble des N gouttes vaut alors 0,1 mm2 et N est égal à 127000.

Avec des gouttes de même masse (totale mais de diamètre 10 pm, il y a 1000 fois moins de gouttes (c'est-à-dire 1270 gouttes) qui causent une absorption de 1ô. Dans le plan focal de l'appareil, plaçons l'extrémité d'une fibre optique dont le cceur ( core a diamètre égal à 100 um et supposons que le laser fournisse une puissance lumineuse de 5W pour éclairer gouttes.

On a représenté sur la figure 1 des dessins annexés les variations de la puissance lumineuse (exprimée en watts), qui est diffractée dans la fibre (échelle logarithmique), en fonction de l'angle diffraction Ct (exprimé en radians), et donc en fonction de la position de l'extrémité de la fibre optique dans le plan focal, pour les gouttes de 10 pm de diamètre (courbe I) et pour celles dont le diamètre vaut 1 um (courbe II).

La courbe III est la somme des courbes I et II.

On note que, en dessous de 0,06 radian, ce sont les gouttes de 10 um de diamètre qui éclairent le plus et que l'inverse a lieu au-delà.

Si les deux familles de gouttes sont présentes et si l'on arrête la mesure à 0,06 radian (abscisse du point A de la figure 1), on ne met en évidence que la famille des gouttes de 10 #im de diamètre avec un excès de 10% pour le nombre gouttes. Avec des familles ayant diverses tailles gouttes, les creux de lumière que l'on observe sur la figure 1 sont comblés et la puissance lumineuse diffractée décroît régulièrement en fonction de oc.

Pour des gouttes de 1 um de diamètre, il convient de noter qu'un calcul plus précis nécessiterait l'utilisation des séries de Mie qui sont bien connues.

La technique de mesure connue, que 'on vient d'exposer, présente les inconvénients suivants La quantité de lumière recueillie par la fibre optique, c'est-à-dire l'intensité diffractée, est faible et va d'environ 15 uW près de l'axe optique de 1 appareil jusqu'à environ 50 nW pour un angle de diffraction égal à 0,5 radian.

De plus, les gouttes sont réparties au hasard dans la zone éclairée par le laser.

Les interférences entre les flux lumineux diffractés par chaque goutte forment des pics de lumière.

Les positions respectives de ces pics, qui dépendent des positions des gouttes, ne présentent pas de symétrie de révolution autour de l'axe optique de l'appareil de mesure.

Cela rend difficile le dépouillement des mesures visant à déterminer les tailles des gouttes. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.

L'invention vise à réduire, voire à supprimer, les effets des pics de lumière en vue d'une détermination plus sûre des diverses tailles de gouttes et, plus généralement, des diverses tailles de particules sensiblement sphériques, en particulier dans la gamme allant de 0,1 um à 1000 um. L'invention vise également à augmenter quantité de lumière diffractée que l'on recueille pour obtenir dispositif plus sensible, ou utilisable a cadence plus élevée, que l'appareil connu, mentionné plus haut.

De façon précise, la présente invention a pour un dispositif de mesure des tailles de particules sensiblement sphériques, ce dispositif étant caractérise en ce qu'il comprend - une source de lumière apte à fournir un faisceau lumineux destiné à éclairer les particules, particules diffractant la lumière du faisceau, - des moyens optiques de concentration et séparation prévus pour recevoir la lumière ainsi diffractée et aptes à séparer cette lumière diffractée en une pluralité de zones annulaires concentriques et à concentrer les parties de la lumière diffractée, qui correspondent respectivement à ces zones annulaires, en une pluralité de points différents les uns des autres, et - des moyens de photodétection prévus pour détecter les intensités lumineuses correspondant respectivement à ces points, les tailles des particules étant déterminées en fonction de ces intensités lumineuses.

Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif de mesure objet de l'invention, dans lequel la concentration et la séparation sont simultanées, les moyens optiques de concentration et de séparation comprennent une pluralité de portions annulaires de lentilles convergentes dont les foyers respectifs sont différents les uns des autres.

Selon un deuxième mode de réalisation particulier de ce dispositif de mesure, dans lequel on dissocie la concentration et la séparation, les moyens optiques de concentration et séparation comprennent - des moyens optiques de concentration aptes à concentrer la lumière diffractée, et - moyens optiques de séparation comprenant une pluralité de portions annulaires de moyens optiques déviation, ces portions annulaires étant prévues pour intercepter la lumière ainsi concentrée et dévier la lumière ainsi interceptée dans des directions respectives différentes unes des autres.

Selon un premier mode réalisation particulier de l'invention, ces moyens optiques de déviation sont des prismes.

De préférence, l'angle de chaque prisme est faible, inférieur à 20 , pour éviter aberrations géométriques.

Selon un deuxième mode réalisation particulier de l'invention, ces moyens optiques de déviation sont des moyens de réflexion de lumière.

Selon un troisième mode de réalisation particulier de l'invention, ces moyens optiques de déviation sont des réseaux de diffraction ( diffraction gratings ).

Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les moyens optiques de concentration comprennent une optique de focalisation ayant une face d'entrée plane et une face de sortie asphérique.

Dans ce cas, on utilise de préférence une optique du genre celle qui est décrite dans le document suivant [1]Brevet français 1550406 délivré le 12 novembre 1968 (invention Jean de Metz et François Millet) ou mieux, dans le document suivant [2]Certificat d'addition n 95885 au brevet français n 1550406, délivre le 4 octobre 1971 (invention de Jean de Metz et François Millet).

De préférence, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens empêchant la diffraction de lumière au niveau des interfaces des portions annulaires que comprennent les moyens optiques de concentration et séparation.

Dans invention, le nombre des zones annulaires concentriques en lesquelles on sépare la lumière diffractée les particules est de préférence égal à M+1 où M le nombre considéré de tailles différentes des particules.

BRÈVE DESCRIPTION DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels # figure 1 montre les variations de puissance lumineuse diffractée par des gouttes dans une fibre en fonction de l'angle de diffraction, pour deux tailles de gouttes, et a déjà éte décrite, # figure 2 illustre schématiquement le principe de l'invention, # la figure 3 est une vue en coupe schématique et partielle d'un dispositif conforme à l'invention utilisant des portions annulaires de lentilles convergentes, # la figure 4 est une vue en coupe schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant des portions annulaires de prismes, # la figure 5 est une vue en coupe schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant des portions annulaires de miroirs, # la figure 6 est une vue en coupe schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention, utilisant des portions annulaires de réseaux de diffraction, # la figure 7 illustre schématiquement la fabrication de ces portions annulaires de réseaux de diffraction, # la figure 8 illustre schématiquement la possibilité de former des chanfreins sur les portions annulaires de lentilles de la figure 3 pour améliorer le fonctionnement du dispositif de mesure correspondant, et # les figures 9 et 10 montrent des courbes destinées à expliquer la détermination des limites angulaires d'anneaux utilisés dans l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le principe d'un dispositif de mesure conforme à 'invention est schématiquement illustré par la figure 2.

dispositif est destiné à mesurer les tailles de particules sensiblement sphériques, par exemple tailles de gouttes opaques dont les diamètres vont de 0,1 um à 100 um.

s'agit par exemple de gouttes d'un métal fondu, qui forment un nuage 2, ce nuage 2 étant engendré des moyens non représentés.

Le dispositif de la figure 2 comprend une source de lumière 4, par exemple un laser, qui émet un faisceau lumineux 6 à rayons parallèles. Ce faisceau 6 est focalisé par une optique convergente 8 dans un plan 10 qui constitue un plan focal de cette optique 8.

En outre, comme on le voit sur la figure 2, le faisceau lumineux 6 éclaire une partie 12 du nuage 2 et l'on cherche à connaître les tailles des gouttes qui se trouvent dans cette partie 12 du nuage et diffractent la lumière du faisceau incident 6. Plus précisément, on cherche le nombre de gouttes par taille dans cette partie éclairée 12.

La lumière diffractée par les gouttes de la partie 12 a la référence 16 sur la figure 2. On décompose la région d'intersection de cette lumière 16 et du plan focal 10 (qui est perpendiculaire à 'axe X du faisceau 6) en une pluralité de zones annulaires concentriques qui sont circulaires et présentent donc une symétrie de révolution autour d'un axe perpendiculaire au plan 10 (l'axe X dans l'exemple représenté).

Dans l'exemple de la figure 2, il y a deux zones annulaires 18 et 20 et l'on considère également la zone centrale 22 délimitée par la zone annulaire 18 qui est la plus interne et se trouve ainsi comprise entre les zones 20 22.

Concentrons (par des moyens optiques non représentés) la lumière de chaque zone en un point ou plus exactement petite zone, de façon que les points obtenus soient différents les uns des autres.

Dans 'exemple de la figure 1, il y a ainsi trois points 24, 26 et 28 correspondant respectivement aux zones 18, 20 et 22.

Dans ces conditions, la suite formée par les valeurs des quantités de lumière provenant respectivement des zones 18, 20 et 22, que l'on a définies dans le plan focal 10, ne comporte plus les pics d'interférences qui gênaient le dépouillement des mesures dans l'art antérieur.

De plus, on recueille beaucoup plus de lumière aux angles importants, là où la lumière provient surtout des petites gouttes et dépasse plus difficilement le niveau du bruit de fond.

On voit aussi sur la figure 2 des moyens de photodétection des lumières respectivement concentrées en points 24, 26 et 28. Dans l'exemple représenté, ces moyens de photodétection sont constitués de photodétecteurs 30, 32 et 34 dont le nombre est égal au nombre des zones que l'on a définies.

Ces photodétecteurs fournissent des signaux électriques représentatifs des intensités des lumieres ainsi concentrées.

Des moyens électroniques 36 sont prévus pour déterminer, à partir de ces signaux, les diverses tailles des gouttes qui se trouvent dans la partie 12 du nuage 2.

Cette détermination se fait par exemple selon la méthode décrite dans le document suivant B. Arad, New method for studying débris from laser induced spall in metals, Review of Scientific Instruments, vol.66 n 12, décembre 1995, p.559 à 5597.

On voit aussi des moyens 38 d'affichage des résultats dont sont munis les moyens électroniques de traitement 36.

Les figures 3 à 6 sont des vues en coupe schématiques de divers exemples des moyens optiques de concentration et de séparation qui sont prévus pour recevoir la lumière diffractée 16, séparer cette lumière en zones annulaires concentriques et concentrer les parties de la lumière diffractées, qui correspondent respectivement à ces zones annulaires, en des points ou foyers 24, 26, 28 qui sont différents les uns des autres.

Dans l'exemple de la figure 3, la concentration et la séparation ont lieu en même temps. Comme on le voit sur cette figure 3, on utilise un anneau de verre 40 qui est découpé dans une lentille convergente 41 vue en pointillés et qui concentre lumière en son foyer 24.

On utilise aussi un autre anneau de verre 42 qui est découpé dans une autre lentille convergente vue en pointillés et qui concentre la lumière en foyer 26.

La coupe de l'anneau 42 est désaxée pour le foyer 26 soit différent du foyer 24 comme on voit sur la figure 3.

L'ensemble des anneaux de verre 40 et 42 complété par une portion centrale de lentille 44 dont le foyer 28 est distinct des foyers 24 et 26.

L'ensemble formé par les anneaux 40 et par la portion de lentille 44 est sensiblement disposé au niveau du plan focal 10.

A titre d'exemple, on peut réaliser cette façon un assemblage de cinquante anneaux plus portion centrale de lentille 44. Cet assemblage peut ensuite être reproduit par moulage.

Dans l'exemple de la figure 4, fonctions de concentration et de séparation sont réalisées par des composants différents.

La fonction de concentration est réalisée par une optique convergente 46 disposée sensiblement niveau du plan focal 10.

De préférence, on utilise en tant qu'optique une lentille plan-asphérique en verre, d'indice optique 1,618, du genre de la lentille décrite dans le document [1] mentionné plus haut. On rappelle qu'il s'agit d'une lentille unique présentant une face de sortie plane et une face entrée asphérique de courbure correspondant à coma minimum, percée suivant son axe d'un trou borgne 'bouchant dans la face de sortie de la lentille, à paroi polie, et de profondeur telle qu'il soit traversé par les rayons réfléchis successivement sur la face de sortie et la face d'entrée de la lentille.

En variante on utilise une optique du genre de celle qui est décrite dans le document [2] également cité plus haut.

On rappelle qu'il s'agit d'un système dioptrique destiné à focaliser à son foyer un faisceau de lumière monochromatique sensiblement parallèle d'un type n'interposant que deux dioptres successifs le trajet des rayons du faisceau. Ce système dioptrique comprend une lentille centrale présentant face de sortie plane et une face d'entrée asphérique de révolution de profil correspondant à une coma minimum, percée suivant son axe d'un trou débouchant dans la face de sortie de la lentille, à paroi polie, et de profondeur suffisante pour qu'il soit traversé par les rayons réfléchis successivement par les faces de sortie et d'entrée de la lentille centrale, et une lentille annulaire entourant la lentille centrale, présentant également une face de sortie plane et une face d'entrée asphérique, débordant de la face avant de la lentille centrale d'une longueur telle que les rayons successivement réfléchis sur la face de sortie et la face d'entrée de la lentille annulaire présentent une pseudo-focalisation hors lentilles.

Dans la présente invention, les deux optiques décrites dans ces documents sont inversées . les faces planes des lentilles sont utilisées en tant que faces d'entrée du faisceau diffracté par les particules et les faces asphériques sont utilisées en tant que faces de sortie de façon à former un faisceau sortie sensiblement parallèle.

De telles optiques conduisent à un minimum aberrations géométriques pour une image peu étendue. Dans l'exemple de la figure 4, la fonction séparation est réalisée par un ensemble de prismes, ' savoir deux prismes 48 et 50 dans l'exemple représenté, étant entendu que, pour chaque prisme, seul partie en forme d'anneau est conservée.

Les prismes 48 et 50 sont représentés en pointillés et les anneaux correspondant respectivement aux prismes 48 et 50 ont les références 49 et 51.

I1 convient de noter que les orientations des prismes sont différentes pour obtenir les foyers séparés 24, 26 et 28.

De plus, les angles des prismes sont faibles, inférieurs à 20 , pour ne pas provoquer d'aberrations. Dans l'exemple, les angles a et prismes 48 et 50 valent respectivement 10 et 5 .

Sur la figure 4, les prismes sont présentes accolés par une face mais les anneaux une fois réalisés sont enchâssés les uns dans les autres.

Les dimensions des prismes sont choisies en 1 - A; ctnr@o A- 1 1 -----hl o Ao- r@r@ @ -- - A0 51 à l'optique 46 pour recouvrir précisément les zones angulaires voulues.

Dans l'exemple de la figure 5 la fonction séparation est réalisée par un ensemble de miroirs annulaires, à savoir deux miroirs annulaires 52 et 54 dans l'exemple représenté.

Le trou central de l'ensemble des miroirs laisse passer une partie de la lumiere qui est focalisée par l'optique 46 et correspond point 28.

Les miroirs annulaires 52 et 54 dévient des parties de lumière correspondant respectivement aux points 24 et 26.

On précise que les miroirs annulaires ont inclinaisons différentes par rapport ' l'axe Y de l'optique 46 et sont percés de trous elliptiques tels la lumière issue de cette optique 46 soit séparée entre des cercles.

Dans l'exemple de la figure 6, la fonction séparation est réalisée par une couche de résine photosensible ( photoresist layer ) qui est déposée sur la face convexe de l'optique 46 et dans laquelle on forme des réseaux de diffraction annulaires concentriques, à savoir les deux réseaux diffraction et 60 dans l'exemple représenté, ainsi qu'un réseau de diffraction central 62, comme on le voit sur la figure 6.

Ces réseaux 58, 60 et 62 sont des hologrammes prévus pour dévier la lumière qui est issue de l'optique 46 respectivement vers les points 24, 26 et 28. Pour obtenir ces réseaux 58, 60 et , on insole successivement les zones de la résine photosensible correspondant à ces réseaux de maniere à obtenir les hologrammes.

Pour chaque insolation on utilise deux sources lasers que l'on forme - au niveau de la zone 12 et au niveau du point 24 pour former le réseau 58, - au niveau de la zone 12 et au niveau du point 26 pour former le réseau 60, et - au niveau de la zone 12 et au niveau du point 28 pour former le réseau 62 et qui créent dans chacun de ces trois cas des interférences dans la zone souhaitée de la couche de résine photosensible pour y former l'hologramme correspondant.

On choisit une couche de resine photosensible assez épaisse pour n'avoir ordre d'interférence utile dans chaque cas.

On précise que l'insolation de chaque zone de la couche 56 est faite à travers deux masques appropriés qui empêchent l'insolation du reste cette couche 56 par chacune des deux sources lasers.

La figure 7 illustre schématiquement, à titre d'exemple, l'insolation de la zone de la couche 56 dans laquelle on veut former le réseau de diffraction central 62.

Deux masques 64 et 65 empêchent l'insolation du reste de la couche 56 par les faisceaux venant respectivement des sources lasers 70 et que l'on voit sur la figure 7. On utilise un seul laser 66 pour former la source laser 68 au niveau de la partie du nuage de gouttes 12 et l'autre source laser 70 au niveau du point ou foyer 28.

Pour ce faire, on utilise un miroir semi- transparent 72 et des réflecteurs lasers 74, 76 78 que l'on dispose convenablement comme on le voit sur la figure 7 et comme cela est classique dans le domaine de l'holographie.

Après développement de la couche 56 insolée obtient les trois réseaux - hologrammes qui concentrent la lumière respectivement aux points 24, 26 28.

Dans un autre mode de réalisation particulier (non représenté), la couche de résine photosensible est formée sur la face plane de l'optique Dans ce cas, le procédé d'insolation assure une correction supplémentaire des aberrations déjà réduites utilisation d'une optique du genre de celle qui est décrite dans le document [1] ou le document [2] et permet d'obtenir une bonne image de la partie 12 du nuage de gouttes sur chacun des photodétecteurs que l'on place respectivement aux points 24, 26 et 28 comme on l'a vu plus haut.

Dans un autre mode de réalisation particulier (non représenté), la couche de résine photosensible est formée non pas sur l'optique 46 mais sur une lame de verre espacée de cette optique 46, cette dernière étant alors comprise entre la lame de verre et la partie étudiée 12 du nuage de gouttes. En ce qui concerne chacun des dispositifs conformes à l'invention, qui sont schématiquement et partiellement représentés sur les figures 3 , on précise que, pour dépouiller les mesures permettant de connaitre les diverses tailles des gouttes, faut étalonner ce dispositif quant à la luminosité produite par chaque anneau et vérifier que chaque anneau n'éclaire qu'un photodétecteur.

En vue de l'informatisation des mesures, il est préférable d'utiliser un réseau ( array de photodétecteurs, par exemple une barrette de photodiodes ou un détecteur du genre CCD.

Dans ce cas, on réalise les moyens de concentration et de séparation de manière les divers points de concentration de lumière (référencés 24, et 28 sur les figures 3 à 6) aient des positions permettant cette utilisation.

Par exemple, si l'on utilise une barrette de photodiodes, il faut que ces points soient alignés. Revenons au dispositif de la figure 3.

De préférence, afin de n'avoir, à la sortie de l'ensemble d'anneaux 40, 42, 44, que la lumière utile et pas de lumière parasite susceptible d être diffractée au niveau des bords ou flans interne et externe de chaque anneau, il convient d'empêcher la lumière diffractée de lécher ces bords.

Pour ce faire, on forme par exemple des chanfreins sur ces bords interne et externe, du côté où arrive la lumière diffractée, et l'on rend opaque chaque chanfrein ainsi formé, par exemple en y déposant une couche de peinture noire. On illustre cela en faisant référence à la figure 8 et en prenant l'exemple de l'anneau 40 de la figure 3.

On voit sur la figure 8 bord interne 80 et le bord externe 82 de cet anneau 40. On voit également les chanfreins 84 et 86 respectivement formés sur ces bords 80 et 82 et la couche peinture noire 88 formée sur chaque chanfrein.

De préférence, on procède de la même façon dans le cas où l'on utilise des portions annulaires de prismes (figure 4).

De même, dans le cas où l'on utilise les réseaux de diffraction de la figure 6, on forme de préférence des zones absorbant la lumière entre les zones insolées. Pour ce faire, on y dépose un anneau de peinture noire.

Considérons maintenant la détermination des limites angulaires des anneaux.

Nous avons vu (figure que la lumière venait aux petits angles des grosses gouttes et aux grands angles des petites gouttes.

Traçons, avec l'aide la formule (1) mentionnée plus haut, une série de courbes (figure 9) correspondant à dix tailles allant de 1 um à 10 um, échelonnées de gm en um, au lieu deux courbes I et II de la figure 1.

L'enveloppe de ces courbes ayant l'allure d'une hyperbole, on présente à la figure 10 la même série de courbes mais en portant abscisses les inverses 0c;1 (exprimés en radians -1) des angles 0C. L'enveloppe devient un segment de droite correspondant à Z peu différent de 1, 36, où Z=2nXR,oc/k a été défini plus haut.

On voit que chaque taille éclaire le plus dans un intervalle particulier d'angles intervalle est défini par la valeur et l'expression de Z que l'on a données ci-dessus.

C'est donc dans la zone du plan focal 10, zone correspondant à cet intervalle, qu'il faut placer un anneau pour avoir le meilleur éclairement pour cette taille. C'est là où la discrimination est la meilleure.

On obtient ainsi une loi de découpage du plan focal.

A titre d'exemple, un assemblage de 11 anneaux prévus pour recevoir la lumière des particules de tailles allant de 0,84 pm à 9 um est donné par le tableau I ' dessous, pour une lumière diffractée ayant une longueur d'onde de 0,5 um. le découpage angulaire optimal anneaux est fait suivant la loi 1,3 6 = 2nR - .

Cette loi optimise la discrimination des tailles des gouttes.

Tableau <SEP> I
<tb> Anneau <SEP> Anneau <SEP> découpé <SEP> Diamètre <SEP> le
<tb> de <SEP> l'angle <SEP> à <SEP> l'angle <SEP> mieux
<tb> 1 <SEP> 26 <SEP> 9,8 <SEP> 0,84 <SEP> um
<tb> 2 <SEP> 9,8 <SEP> 6 <SEP> 1,66 <SEP> um
<tb> 3 <SEP> 6 <SEP> 4,30 <SEP> 2,5 <SEP> pm
<tb> 4 <SEP> 4,3 <SEP> 3,3 <SEP> 3,3 <SEP> pm
<tb> 5 <SEP> 3,3 <SEP> 2,7 <SEP> 4,1 <SEP> um
<tb> 6 <SEP> 2,7 <SEP> 2,3 <SEP> um
<tb> 7 <SEP> 2,3 <SEP> 2,0 <SEP> 5 <SEP> 8 <SEP> Pm
<tb> 8 <SEP> 2,0 <SEP> 1,77 <SEP> 6,6 <SEP> pm
<tb> 9 <SEP> 1,77 <SEP> 1,58 <SEP> 7,4 <SEP> um
<tb> 10 <SEP> 1,58 <SEP> 1,43 <SEP> 8,2 <SEP> u=
<tb> 11 <SEP> 1,430 <SEP> 1,300 <SEP> 9 <SEP> gn Considérons maintenant la détermination du nombre préféré d'anneaux.

La figure 1 montre aussi qu'une seule mesure de l'éclairement E, faite par exemple à (c=0,06 râdian, permet pas de savoir si la famille de gouttes a 1 pm ou 10 pm de diamètre, ni de connaître le nombre de points. En utilisant la mesure de l'éclairement Eo des gouttes on aurait deux solutions pour ce nombre : 127000 gouttes de 1 um ou 1270 gouttes de 10 pm.

Une mesure de l'opacité indiquant 1% d'absorption assurerait que la famille diffractante est formée des gouttes de 10 pm. Une seconde mesure à un autre angle aurait confirmé cela.

De manière générale, il faut M+1 mesures (angles, opacité, éclairement des gouttes) pour avoir le nombre de gouttes diffractantes dans chaque taille parmi M tailles.

On utilise donc de préférence M+1 anneaux. Il faut pas trop augmenter ce nombre d'anneaux car dans un dispositif conforme à l'invention, chaque anneau ne recueille qu'une fraction environ égale ' de toute la lumière reçue par les moyens de concentration et de séparation d'un tel dispositif.

Dans 'invention, toute la lumière diffractée est recueillie aux angles optima correspondant aux tailles recherchées. Cela supprime l'effet des pics d'interférences, effet qui gênait le dépouillement des mesures dans l'art antérieur. Cela fournit aussi maximum de sensibilité qui sert soit à mesurer des concentrations moindres de particules soit à maximiser la vitesse d'acquisition des données.

La présente invention n'est pas limitée à la mesure de tailles de gouttes opaques, dont les diamètres vont 0,1 Dun à 100 um.

Elle s'applique à la mesure des tailles de toutes sortes de particules de formes sensiblement sphériques, ces particules étant transparentes ou translucides ou opaques et ayant des tailles appartenant à l'intervalle allant de 0,1 um à 1 mm.

On peut par exemple utiliser l'invention pour la granulométrie de poudres de matériaux tels que le plâtre, le ciment et le minerai de fer.

On éclaire alors une poudre de ce genre, placée en regard d'un dispositif conforme à l'invention, sur un support qui est transparent à la lumière utilisée et que l'on maintient fixe ou que l'on déplace devant le dispositif.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de mesure des tailles de particules sensiblement sphériques, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend - source de lumière (4) apte à fournir un faisceau lumineux (6) destiné à éclairer les particules ( ), particules diffractant la lumière du faisceau - des moyens optiques de concentration et de séparation (40-42-44 ; 46, 49-51 ; 46, 52-54 ; , 58-60-62) prévus pour recevoir la lumière ainsi diffractée et aptes à séparer cette lumière diffractée en une pluralité de zones annulaires concentriques et à concentrer les parties de la lumière diffractée, qui correspondent respectivement à ces zones annulaires, en une pluralité de points (24, 26, 28) différents les uns des autres, et - moyens de photodétection (30, 32, 34) prévus pour détecter les intensités lumineuses correspondant respectivement à ces points, les tailles des particules étant déterminées en fonction ces intensités lumineuses.

2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens optiques de concentration et de séparation comprennent une pluralité de portions annulaires (40, 42, 44) de lentilles convergentes dont les foyers respectifs sont différents les uns autres.

3. Dispositif selon la revendication dans lequel les moyens optiques de concentration et de séparation comprennent - des moyens optiques de concentration (46) aptes a concentrer la lumière diffractée, et - moyens optiques de séparation comprenant une pluralité de portions annulaires (49-51, 52-54, 58 62) de moyens optiques de déviation, ces portions annulaires étant prévues pour intercepter la lumière ainsi concentrée et dévier la lumière ainsi interceptée dans des directions respectives différentes les unes des autres.

4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel les moyens optiques de déviation sont prismes (48, 50).

5. Dispositif selon la revendication , dans lequel l'angle (a, P) de chaque prisme inférieur à 20 .

6. Dispositif selon la revendication dans lequel les moyens optiques de déviation sont moyens de réflexion de lumière.

7. Dispositif selon la revendication dans lequel les moyens optiques de déviation sont réseaux de diffraction.

8. Dispositif selon l'une quelconque revendications 3 à 7, dans lequel les moyens optiques de concentration comprennent une optique focalisation ayant une face d'entrée plane et une face de sortie asphérique.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, comprenant en outre des moyens (84-86, 88) empêchant la diffraction de lumière au niveau des interfaces des portions annulaires que comprennent les moyens optiques de concentration et de séparation.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications à 9, dans lequel le nombre des zones annulaires concentriques est égal à M+1 où M est le nombre considère de tailles différentes des particules (12).