FR2905760A1 - Dispositif et procede de mesure d'au moins un parametre dans un fluide - Google Patents

Abstract

Dispositif (10) pour mesurer au moins un paramètre de particules (2) dans un fluide (21), comprenant : une source de rayonnement (1) et un capteur de rayonnement (3), une zone de fluide (22) en liaison avec le fluide (21). La source de rayonnement (1) émet un rayonnement de mesure (15) dans une première direction (11) vers la zone de fluide (22). Le capteur de rayonnement (3) détecte le rayonnement de mesure (15') réfléchi dans une seconde direction (12) par la zone de fluide (22).Le capteur de rayonnement (3) comporte plusieurs éléments capteurs (31, 33), dont la sensibilité spectrale est différente pour une détection sélective en fonction des longueurs d'ondes du rayonnement de mesure réfléchi (15').

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour

mesurer au moins un paramètre de particules dans un fluide, comprenant : -une source de rayonnement et un capteur de rayonnement, - une zone de fluide en liaison avec de fluide, la source de rayonnement émettant un rayonnement de mesure dans une première direction vers la zone de fluide, le capteur de rayonnement détectant le rayonnement de mesure réfléchi dans une seconde direction par la zone de fluide.

La présente invention concerne également un procédé de mesure d'au moins un paramètre de particules dans un fluide. Le document EP 0 783 101 A2 décrit un procédé et une installation pour la mesure optique de la concentration de poussières très fines dans un milieu. Selon ce document, on applique de la lumière polarisée, définie au milieu contenant les particules et ensuite on me-sure l'intensité de la lumière difractée. Cette installation connue de me-sure optique de la concentration de poussières fines a l'inconvénient de nécessiter plusieurs filtres de polarisation et des lentilles de collimation ; la fabrication de cette installation est ainsi relativement compli- quée. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif du type dé-fini ci-dessus, caractérisé en ce que le capteur de rayonnement comporte plusieurs éléments capteurs dont la sensibilité spectrale est réalisée différemment pour une détection sélective en fonction des longueurs d'ondes du rayonnement de mesure réfléchi. L'invention concerne également un procédé pour la mise en oeuvre d'un tel dispositif caractérisé en ce qu'à l'aide de signaux de mesure fournis par les éléments de capteur du capteur de rayonne- ment, on détermine les paramètres des particules, comme paramètres on mesure notamment la taille des particules et/ou la forme des parti-cules et/ou le type de particules et/ou la densité de particules dans le fluide. Le dispositif selon l'invention a l'avantage, grâce à l'utilisation d'un filtre sélectif pour des longueurs d'ondes différentes, de 2905760 2 permettre la mise en oeuvre d'un procédé simple pour déterminer les caractéristiques d'un fluide chargé de particules. Comme paramètres des particules il y a notamment la taille, la forme, la nature et la densité des particules, dans le fluide. Comme fluide il est notamment prévu un 5 gaz de sorte ce qui permet les applications telles que par exemple la caractérisation de gaz d'échappement chargés de particules ou de fluides analogues, grâce à l'invention. En outre, on peut envisager comme fluides des liquides tels que de l'huile de moteur et autres liquides, notamment des liquides de véhicules automobiles.

10 Suivant une caractéristique avantageuse, il comporte un capteur micromécanique de rayonnement ou un capteur de rayonne-ment comportant des éléments micromécaniques de capteur. Cela per-met une intégration fonctionnelle dans un petit espace, si bien que le dispositif selon l'invention peut se réaliser d'une manière particulière- 15 ment compacte, légère et économique. Suivant une autre caractéristique avantageuse, le dispositif comporte un élément d'absorption qui délimite de préférence la zone de fluide. Cela permet d'éviter avantageusement qu'en dehors du rayonnement de mesure réfléchi par les particules, aucune composante 20 de lumière ou composante de rayonnement n'arrive à l'endroit du capteur de rayonnement. Cela permet ainsi, selon l'invention, d'exclure pratiquement que de la lumière émise directement par la source de rayonnement ou que le rayonnement correspondant n'arrivent au ni-veau du détecteur.

25 Suivant une autre caractéristique avantageuse, le rayonnement de mesure est un rayonnement dans la plage des longueurs d'ondes visibles et/ou dans le proche infrarouge et/ou dans l'infrarouge lointain. En modifiant les différentes fenêtres de détection spectrales utilisées, cela permet, de recueillir un grand nombre d'informations 30 concernant le fluide et les particules qu'il contient, ce qui donne un grand nombre de paramètres de particules et par conséquent une très grande précision. En outre, selon l'invention, chaque élément de capteur comporte respectivement au moins un filtre de rayonnement pour régler 35 la sensibilité spectrale. Cela permet de définir et de modifier d'une façon 2905760 3 particulièrement simple et économique les fenêtres de détection spectrales. En outre, selon l'invention, les éléments de capteur ont une couche absorbant le rayonnement et/ou un élément de thermopile.

5 Cela permet d'utiliser des techniques confirmées de fabrication de détecteurs de rayonnement, ce qui permet une fabrication particulière-ment économique du dispositif de l'invention. Selon le procédé de l'invention rappelée ci-dessus, on peut exploiter de façon combinée les signaux d'éléments de capteur 10 sensibles différemment pour des plages de longueurs d'ondes spectrales différentes pour recueillir un grand nombre d'informations concernant les particules chargeant le fluide. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 15 plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de différents éléments d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation 20 du dispositif selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique de la courbe de transmission d'un élément de filtre de sensibilité sélective en fonction des longueurs d'ondes d'un élément de capteur, - la figure 4 est une vue schématique de la structure du capteur de 25 rayonnement, - la figure 5 est une vue de côté d'un élément de capteur. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif 10 selon l'invention. Le dispositif 10 corn- 30 porte une source de rayonnement 1 qui émet un rayonnement de me-sure 15 dans une première direction 11 vers une zone de fluide 22. La zone de fluide 22 contient un fluide 21 chargé de particules ; en d'autres termes, le fluide 21 contient des particules 2. Les particules 2 réfléchissent le rayonnement de mesure 15 et génèrent ainsi un rayon- 35 nement de mesure réfléchi 15' qui rayonne dans une seconde direction 2905760 4 12 différente de la première direction 11 ; la première direction 11 fait par exemple avec la seconde direction 12 un angle de l'ordre de 20 jus-qu'à 160 et de préférence compris entre environ 40 et environ 140 et d'une manière particulièrement préférentielle, un rayonnement compris 5 entre 60 et 120 . Ce rayonnement de mesure, réfléchi, 15' est émis ou réfléchit dans la direction d'un capteur de rayonnement 3 par les parti-cules 2 ; il est utilisé pour mesurer les propriétés ou paramètres des particules 2. Pour recueillir le rayonnement de mesure 15, on utilise un élément absorbant ou absorbeur 4. Il est avantageux qu'aucun rayonnement de mesure 15 n'arrive directement ou indirectement (en dehors de la réflexion au niveau des particules) dans la zone du capteur de rayonnement 3. La figure 2 montre un second mode de réalisation du dis-positif 10 selon l'invention. Ce dispositif se compose également d'une 15 source de rayonnement 1 pour les particules 2, le capteur de rayonne-ment 3 et l'absorbeur ou l'élément absorbant 4. L'absorbeur 4 est prévu pratiquement autour de la zone du fluide 21. Cela réduit considérable-ment la probabilité que de la lumière du rayonnement de mesure, lumière non réfléchie par les particules, arrive sur le capteur de 20 rayonnement. Entre l'entrée du fluide 21 et le capteur de rayonnement 3, on peut avoir selon l'invention une fenêtre 4' transparente aux rayonnements ou une ouverture 4'. La figure 3 montre un exemple déterminant de la caractéristique de transparence d'un filtre utilisé pour la détection sélective en 25 longueurs d'ondes de différents éléments de capteur du capteur de rayonnement. En ordonnées, on a représenté la transmission en pourcentage. En abscisses on a représenté la longueur d'onde X. Le filtre est transparent dans la plage des longueurs d'ondes autour d'une longueur d'onde Xo prédéfinie. La largeur de la plage de transparence est indiquée 30 par la lettre (b). La figure 4 montre schématiquement le capteur de rayonnement 3 comprenant plusieurs éléments de capteur ; pour simplifier la présentation, on a seulement désigné deux éléments de capteur 31 ou 33 avec une référence.

2905760 5 Les éléments de capteur 31, 33 ont, pour une détection sélective en longueurs d'ondes du rayonnement réfléchi 15' selon l'invention, de préférence un élément de filtre 32, 34 ou un filtre de rayonnement 32, 34. La structure sensible proprement dite qui permet 5 de détecter le rayonnement traversant le filtre 32, 34 est représentée schématiquement à la figure 4 sous les références 32' ou 34'. La structure de détection est installée dans la seconde di-rection 12 (suivant la direction du rayonnement de mesure réfléchissant 15') derrière le filtre de rayonnement 32, 34. A titre d'exemple, les filtres 10 de rayonnement 32, 34 ont une caractéristique de transmission telle que celle présentée à la figure 3 ; toutefois, pour des filtres de rayonne-ment 32, 34, différents, au moins l'un des paramètres servant à décrire la caractéristique de transmission, à savoir la longueur d'onde centrale Xo et la largeur de la fenêtre spectrale transparente (b) ont été modifiées.

15 Pour cela, selon l'invention, en exploitant des plages de longueurs d'ondes différentes du rayonnement de mesure 15', réfléchi, il est possible, d'obtenir un grand nombre d'informations concernant les particules 2 ou le fluide 21 ; cela peut se faire selon la présente invention suivant un procédé plus ou moins continu et non par exemple par des mesures 20 discontinues. En particulier, il est prévu de façon avantageuse selon l'invention que les caractéristiques de transmission d'un ensemble de filtres soient réparties selon le spectre pour que ces caractéristiques de transmission présentent un chevauchement spectrale pour les différents filtres, par exemple en ce que pour une largeur sensiblement égale 25 (b) de la fenêtre de transparence spectrale, les longueurs d'ondes centrales entre les différents filtres (filtres séparés) correspondent sensiblement à la moitié de la largeur (b). Dans ce cas, il est par exemple possible selon l'invention de très bien exploiter la présence de particules à l'aide des algorithmes actuels de reconnaissance de formes car les 30 particules ont un motif de réflexion spécifique dans le fluide. Les éléments de capteur 31, 33 sont fabriqués de préférence en technique de microstructure ou en micromécanique. La figure 5 est une vue de côté d'un tel élément de capteur 31, 33 fabriqué en technique de micromécanique de surface. Cet 35 élément se compose d'un substrat 35 avec une membrane et un élé- 2905760 6 ment de thermopile 36 sensible à la température. On peut également avoir une couche pyro-électrique sur la membrane. L'élément de thermopile 36, dont la face inférieure est fixée à la membrane, est couvert sur les côtés et sur le dessus par une couche 37 absorbant le rayonne- 5 ment. La structure de thermopile est par exemple scellée de manière étanche aux gaz par un couvercle 38 pour former une cavité entre, d'une part la membrane et la matière du substrat et d'autre part entre le capuchon 35 et la couche 37 absorbant le rayonnement. Dans cette zone on réalise de préférence le vide. Sur le couvercle 38 on a installé le 10 filtre 32, 34, par exemple par collage ; le filtre 32, 34 ne laisse passer qu'une plage de longueurs d'ondes définie selon la caractéristique de transmission du filtre. L'élément de capteur est relié par des bornes 39 (par exemple des zones de liaison) à un circuit d'exploitation non représenté.

15 De façon avantageuse, selon l'invention, il est relativement facile d'utiliser un autre type de filtre, ce qui se fait en collant simplement une autre plaquette de filtre. Cela diminue considérablement les coûts de fabrication d'un dispositif selon l'invention. En principe, on peut toute-fois utiliser tous les types d'éléments de capteur 31, 33, par exemple 20 dans le cas de composants fabriqués en micromécanique dans la masse. Les éléments de capteur 31, 33 selon l'invention sont soit placés dans boîtiers séparés soit dans un boîtier global. Le capteur de rayonnement 3 selon l'invention comporte de préférence plusieurs tels éléments de capteur qui se distinguent pratiquement seulement par le 25 filtre ou filtre de rayonnement 32, 34 utilisé. Ce type de filtre de rayonnement 32, 34 utilisé peut être défini comme suit : si la substance à examiner ou à classifier avec le capteur de rayonnement 3 est connue, on analyse cette substance en technique analytique, par exemple en spectroscopie FTIR (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier).

30 Par ces analyses on essaie de déterminer les plages de longueurs d'ondes donnant une information concernant les matières contenues ou les paramètres des matières contenues ou les particules, par exemple la forme des particules ou la distribution de leurs dimensions ou paramètres analogues.

2905760 7 Les applications du dispositif selon l'invention sont par exemple la détermination de l'état de liquide de fonctionnement d'un véhicule automobile tel que l'huile du moteur, le carburant, le liquide de refroidissement, le liquide de freins ou analogues, la classification des 5 liquides de fonctionnement tels que le carburant, l'essence, le gasoil, l'éthanol ou la détermination de l'état ou de la classification des gaz ou de gaz chargés de particules dans ou à l'extérieur d'un véhicule auto-mobile tels que par exemple l'air intérieur ou l'air extérieur, les gaz d'échappement ou analogues. La présente invention permet également 10 de déterminer l'état et de classifier ou, de façon générale, de mesurer au moins un paramètre d'une particule dans un fluide que l'on utilise en médecine tel que par exemple l'air de respiration ou des fluides analogues. 15

Claims (8)

REVENDICATIONS

1 ) Dispositif (10) pour mesurer au moins un paramètre de particules (2) dans un fluide (21), comprenant : - une source de rayonnement (1) et un capteur de rayonnement (3), - une zone de fluide (22) en liaison avec le fluide (21), la source de rayonnement (1) émettant un rayonnement de mesure (15) dans une première direction (11) vers la zone de fluide (22), le capteur de rayonnement (3) détectant le rayonnement de mesure (15') réfléchi dans une seconde direction (12) par la zone de fluide (22), caractérisé en ce que le capteur de rayonnement (3) comporte plusieurs éléments capteurs (31, 33), la sensibilité spectrale des différents éléments de capteur (31, 33) étant différente pour une détection sélective en fonction des longueurs d'ondes du rayonnement de mesure réfléchi (15').

2 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un capteur micromécanique de rayonnement (3) ou un capteur de rayonnement (3) comportant des éléments micromécaniques de capteur (31, 33).

3 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un élément d'absorption (4) qui délimite de préférence la zone de fluide (41).

4 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement de mesure (15) est un rayonnement dans la plage des longueurs d'ondes visibles et/ou dans le proche infrarouge et/ou dans l'infrarouge lointain.

5 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 2905760 9 chaque élément de capteur (31, 33) comporte au moins un filtre de rayonnement (32, 34) pour régler la sensibilité spectrale.

6 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, 5 caractérisé par des filtres de rayonnement (32, 34).

7 ) Dispositif (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que 10 les éléments de capteur (31, 33) ont une couche absorbant le rayonne-ment et/ou un élément de thermopile (36).

8 ) Procédé de mesure d'au moins un paramètre de particules (2) dans un fluide (21) à l'aide d'un dispositif selon l'une des revendications 1 15 à 7, caractérisé en ce qu' à l'aide de signaux de mesure fournis par les éléments de capteur (31, 33) du capteur de rayonnement (3), on détermine les paramètres des particules (2), 20 comme paramètres, on mesure notamment la taille des particules et/ou la forme des particules et/ou le type de particules et/ou la densité de particules dans le fluide (21). 25