FR2911684A1 - Capteur optique pour la mesure de la salinite et de la visibilite dans l'eau de mer. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur optique (1000) pour la mesure simultanée de la déviation et de l'atténuation d'au moins un faisceau lumineux dans un fluide.Selon l'invention, un tel capteur comprend :- des moyens de génération d'un faisceau lumineux principal (1202), et de premier (1203) et second (1204) faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal ;- des moyens de mesure de déviation, permettant d'obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire (1203) du fait de la traversée d'au moins une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche de fluide ;- des moyens de mesure d'atténuation, permettant d'obtenir une mesure d'atténuation, subie par le second faisceau secondaire (1204) du fait de la traversée d'au moins une seconde couche de fluide ;- des moyens de correction de ladite mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation.
Description
Capteur optique pour la mesure de la salinité et de la visibilité dans
l'eau de mer. 1. Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la mesure de caractéristiques physiques de fluides (par exemple, les liquides, les gaz,...). Plus précisément, l'invention concerne notamment la mesure de la salinité ainsi que la mesure de la visibilité dans l'eau de mer dans le cadre d'applications en océanographie, par exemple, dans le cadre de l'équipement de sondes de mesure immergées en environnement côtier. 2. Solutions de l'art antérieur La détermination de la salinité de l'eau s'effectue aujourd'hui essentiellement via une mesure de sa conductivité électrique, connaissant sa température et la pression. Les capteurs de conductivité sont cependant peu fiables car très sensibles aux dégradations liées à l'environnement marin (tel qu'expliqué par le document Capteurs de conductivité en océanographie : état de l'art et perspectives. de M. Le Menn, publié dans RSTD Vol. 64, pp. 107-111, Juin 2004). L'emploi d'autres méthodes basées sur la mesure de l'indice de réfraction de l'eau de mer (tel qu'illustré par le document Remote refractive index difference meter for salinity sensor , de H. Minato, et al. Publié dans IEEE Trans on Instrumentation and Measurements, Vol. 38, N 2, pp. 608-612, 1989) ou l'emploi de capteurs à fibre est envisageable. La mesure de l'indice permet, connaissant la température et la pression, de remonter à la valeur de la salinité soit par l'utilisation des relations de R.C.
Millard et G. Seaver (R.C. Millard et G. Seaver, "An index of refraction algorithm for seawater over temperature, pressure, salinity, density and wavelength", Deep-Sea Research, vol. 37, n 12, pp 1909-1926, 1990) dont l'exactitude est de 0,024 ppt en salinité, soit par étalonnage direct en température, pression et salinité. Ce qui suppose que l'on puisse mesurer l'indice de réfraction de l'eau de mer avec une résolution d'au moins 10-6 dans les gammes océanographiques.
Compte tenu de l'application majoritairement visée qui est celle des mesures en environnement côtier, il n'est pas nécessaire que la mesure de salinité présente une précision inférieure à 1/100 psu. Ainsi, le problème du contrôle de la dérive de la mesure par rapport aux variations de température et de pression que doit subir le dispositif de mesure de la salinité lors de son utilisation in situ n'est pas critique dans le présent cas. Classiquement, les mesures de visibilité ou de turbidité dans un liquide, tel qu'une eau de mer, sont utilisées pour des estimations de la transparence de l'eau, pour obtenir des indications sur le transport de sédiments dans cette eau, et pour beaucoup d'autres études nécessitant une estimation de la quantité de particules dans l'eau. Les capteurs de turbidité permettent de connaître la concentration en particules dans l'eau et ceci généralement grâce à des mesures optiques de rétrodiffusion tel qu'indiqué dans la demande de brevet allemand n DE3326739A1. 3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur. Plus précisément, un objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de fournir une technique permettant de mesurer simultanément la salinité d'un liquide et la visibilité dans le liquide.
Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en oeuvre une telle technique qui présente une bonne précision de mesure et notamment pour la mesure de la visibilité. L'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, a également pour objectif de réaliser un telle technique qui soit particulièrement adaptée aux mesures immergées et qui présente une grande résistance aux salissures ou dépôt organique de toutes sortes. L'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, a encore pour objectif de réaliser un telle technique qui soit simple, compacte et bas coût. 4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un capteur optique pour la mesure simultanée de la déviation et de l'atténuation d'au moins un faisceau lumineux dans un fluide. Selon l'invention, un tel capteur optique comprend : des moyens de génération d'un faisceau lumineux principal, et de premier 5 et second faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal ; - des moyens de mesure de déviation, permettant d'obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une couche d'un matériau déterminé accolée à une 10 première couche de fluide ; - des moyens de mesure d'atténuation, permettant d'obtenir une mesure d'atténuation, subie par le second faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une seconde couche de fluide ; - des moyens de correction de ladite mesure d'atténuation tenant compte 15 d'au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation. Le principe général de l'invention consiste à réaliser à la fois une mesure de déviation par réfraction et une mesure d'atténuation dans un fluide, à partir d'un même faisceau lumineux principal séparé en un premier faisceau secondaire et un second faisceau secondaire, afin notamment d'obtenir simultanément les 20 salinité et visibilité dans le fluide. Ainsi, le capteur selon l'invention permet de mesurer simultanément la salinité (grâce à la mesure de déviation) et la visibilité (grâce à la mesure d'atténuation) dans le fluide. Ainsi, du fait de la correction de la mesure d'atténuation au moyen d'au 25 moins une information obtenue grâce à la mesure de déviation, il y a une réelle synergie entre la mesure de la déviation et le mesure de l'atténuation dans le capteur selon l'invention. Ces deux mesures sont mises en oeuvre de façon coopérative pour garantir une simultanéité des résultats. 30 Avantageusement, les moyens de correction comprennent : - des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens de mesure de déviation ;
- des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et - des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation, de l'indice du fluide obtenu.
Ainsi, du fait que les deux mesures dépendant toutes deux d'au moins une caractéristique physique du fluide qui est l'indice de réfraction du fluide, dans le cadre de l'invention, une correction de la mesure d'atténuation peut être réalisée grâce à au moins une information obtenue à partir de la mesure de déviation.
On obtient ainsi des mesures plus précises du fait de la correction.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation temporelle du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, par exemple, les premier et second faisceaux secondaires sont obtenus par échantillonnage temporel du faisceau principal au moyen par exemple d'un obturateur fonctionnant en régime stroboscopique.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation spectrale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, par exemple, le faisceau principal présente un spectre comprenant au moins deux longueurs d'onde (la première correspondant au premier faisceau secondaire et la seconde correspondant au second faisceau secondaire).
Ainsi, selon ces premier et second modes de réalisation, les faisceaux secondaires correspondent à des composantes temporelles (premier mode de réalisation) et spectrales (second mode de réalisation) du faisceau principal. Ces modes de réalisation permettent de ne mettre en oeuvre qu'un seul moyen de détection (position et intensité) des premier et second faisceaux secondaires.
Selon un mode de mise en oeuvre particulier de l'invention, le capteur comprend un prisme délivrant un faisceau secondaire intermédiaire issu du faisceau principal et des troisièmes moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, en direction du premier capteur de position et pour transmettre le second faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, vers le second capteur de position.
Ainsi, dans ce cas, les troisièmes moyens réfléchissants doivent être en partie transparents, par exemple ils sont une lame semi-transparente.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation spatiale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, selon ce troisième mode de réalisation, il est nécessaire de mettre en oeuvre un moyen de détection (position, intensité) distinct pour chacun des 15 premier et second faisceaux secondaires.
Préférentiellement, lesdits moyens de séparation comprennent au moins un prisme optique et ladite couche de matériau déterminée est comprise dans ledit au moins un prisme optique.
Ainsi, le prisme a simultanément pour fonction de réaliser la séparation
20 des premier et second faisceaux secondaires à partir du faisceau principal et, lorsque associé au fluide, de donner lieu à la réfraction à l'origine de la déviation du premier faisceau secondaire.
Par ailleurs, l'intensité du second faisceau secondaire dépendant notamment de l'indice du fluide, la mise en oeuvre du prisme fait que la mesure
25 d'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) peut être corrigée par l'obtention de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire.
Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation et 30 ainsi obtenir une mesure de l'atténuation plus précise.
Ainsi, le capteur selon l'invention permet notamment d'obtenir une bonne précision pour la mesure de la visibilité. En outre, du fait que le prisme partage plusieurs fonctions, le capteur selon l'invention est simple à réaliser, compact et peut être fabriqué pour un faible coût.
Avantageusement, le prisme optique est réalisé dans au moins l'un des matériaux appartenant au groupe comprenant les : - N-K5 ; N-F2 ; N-BAF51 ; - N-LF5 ; N-SF5 ; N-SK10 ; - N-BK7 ; - N-LLF1.
Avantageusement, les moyens de mesure de déviation comprennent au moins un premier capteur de position. Préférentiellement, les moyens de mesure d'atténuation comprennent au moins un second capteur de position. Ainsi, l'utilisation d'un capteur de position (qui joue le rôle de moyen de 20 détection de position et d'intensité du premier faisceau secondaire) dans les moyens de mesure de déviation permet de mesurer à la fois : - la position du premier faisceau secondaire qui est nécessaire pour la mesure de la déviation du premier faisceau secondaire et l'intensité du premier faisceau secondaire qui est nécessaire dans le 25 cadre de la détermination de la visibilité dans le fluide. Par ailleurs, l'utilisation d'un capteur de position au lieu de l'utilisation, par exemple, d'une photodiode permet d'améliorer la précision de la mesure de déviation ou d'atténuation, du fait que le capteur de position est moins sensible à la diffusion des faisceaux secondaires dans le fluide qu'une photodiode.
Selon un premier mode de mise en oeuvre, aucun moyen réfléchissant n'est mis en oeuvre dans le capteur optique. Un avantage d'un tel capteur optique est qu'il présente une grande résistance aux salissures ou au dépôt organique de toutes sortes résultant du fluide compris dans le capteur (en effet, les moyens réfléchissants sont très sensibles aux salissures). Ainsi, un tel capteur optique est particulièrement adaptée aux mesures immergées. Selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention, le capteur optique comprend des premiers moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire en direction du premier capteur de position.
Ainsi, dans le cadre de ce second mode de mise en oeuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du premier mode de mise en oeuvre. Selon un troisième mode de mise en oeuvre de l'invention, le capteur optique comprend des seconds moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire en direction du second capteur de position.
Ainsi, dans le cadre de ce troisième mode de mise en oeuvre, l'électronique dans le capteur peut être commune à la source lumineuse ainsi qu'au premier et second capteurs de position. Préférentiellement, le fluide est de l'eau de mer et en ce qu'il est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé.
Avantageusement, ladite source lumineuse est une source laser. Avantageusement, la source laser coopère avec des moyens de focalisation permettant de focaliser le faisceau laser sur au moins un desdits capteur de position. Préférentiellement, la taille du spot du faisceau laser focalisé sur le ou les capteur(s) de position est comprise entre 200 et 1 mm. Préférentiellement, les moyens de focalisation sont disposés à proximité de la source laser. Avantageusement, la source laser émet dans le visible. Préférentiellement, le capteur optique selon un mode de réalisation de 30 invention comprend des moyens de mise en circulation du fluide dans le capteur optique. 5. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un schéma d'un capteur optique selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure 2 présente un schéma des second bloc électronique, troisième bloc électronique et des moyens de correction selon le second mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 présente un schéma d'un capteur optique selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure 4 présente un schéma d'un capteur optique selon un troisième mode de mise en oeuvre de l'invention ; la figure 5 présente un schéma d'un capteur optique selon un quatrième mode de mise en oeuvre de l'invention. 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention On décrit dans la suite différentes réalisations d'un capteur optique selon l'invention pour la mesure d'au moins une caractéristique physique d'un fluide. Par exemple, le fluide est de l'eau de mer et le capteur optique est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé. Ce capteur optique comprend notamment : - une source lumineuse émettant un faisceau lumineux principal ; - des moyens de mesure de la déviation par réfraction subie par un premier faisceau secondaire, issu du faisceau principal, du fait de la traversée d'une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche d'eau de mer ; - des moyens de mesure de l'atténuation subie par un second faisceau secondaire, issu du faisceau principal, du fait de la traversée d'une seconde couche d'eau de mer ; et - des moyens de correction de la mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à la mesure de déviation. Par exemple : les moyens de mesure de la déviation comprennent un premier capteur de position de type PSD (pour Position Sensor Device ) qui joue le rôle de moyen de détection (position et intensité) du premier faisceau secondaire, le premier capteur étant associé à un second bloc électronique ci-après décrit ; et - les moyens de mesure de l'atténuation comprennent un second capteur de position de type PSD qui joue le rôle de moyen de détection (position et intensité) du second faisceau secondaire, le second capteur étant associé à un troisième bloc électronique ci-après décrit . Ainsi, l'utilisation d'un capteur de position dans les moyens de mesure de 15 déviation permet de mesurer à la fois : la position du premier faisceau secondaire qui est nécessaire pour la mesure de la déviation du premier faisceau secondaire et l'intensité du premier faisceau secondaire qui est nécessaire dans le cadre de la détermination de la visibilité dans le fluide. 20 Par ailleurs, l'utilisation d'un capteur de position au lieu de l'utilisation, par exemple, d'une photodiode permet d'améliorer la précision de la mesure de déviation ou d'atténuation, du fait que le capteur de position est moins sensible à la diffusion des faisceaux secondaires dans le fluide qu'une photodiode. Ainsi, ce capteur optique selon l'invention permet de mesurer 25 simultanément la salinité (grâce à la mesure de déviation) et la visibilité (grâce à la mesure d'atténuation) dans l'eau de mer. En outre, les deux mesures dépendant toutes deux de l'indice de réfraction de l'eau de mer, dans le cadre de l'invention, une correction de la mesure d'atténuation grâce à au moins une information obtenue à partir de la mesure de 30 déviation peut être mise en oeuvre.
On obtient ainsi des mesures plus précises du fait de la correction. Par exemple, la source lumineuse est une diode laser émettant dans le visible (la diode laser peut également émettre dans le proche infra-rouge, dans proche ultra-violet ou même à toute autre longueur d'onde).
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les premier et second faisceaux secondaires correspondent à deux composantes temporelles du faisceau principal. Ainsi, par exemple, les premier et second faisceaux secondaires sont obtenus par échantillonnage temporel du faisceau principal au moyen par exemple 10 d'un obturateur fonctionnant en régime stroboscopique. Selon un second mode de réalisation de l'invention, les premier et second faisceaux secondaires correspondent à des composantes spectrales du faisceau principal. Ainsi, par exemple, le faisceau principal présente un spectre comprenant 15 au moins deux longueurs d'onde (la première correspondant au premier faisceau secondaire et la seconde correspondant au second faisceau secondaire). Ainsi, selon ces premier et second modes de réalisation, les faisceaux secondaires correspondent à des composantes temporelles (premier mode de réalisation) et spectrales (second mode de réalisation) du faisceau principal. Ces 20 modes de réalisation permettent de ne mettre en oeuvre qu'un seul moyen de détection (position et intensité) des premier et second faisceaux secondaires. Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, selon lequel le capteur optique comprend des moyens de séparation du faisceau lumineux principal en un premier faisceau secondaire et un second faisceau secondaire. 25 Ainsi, selon ce premier mode de réalisation, il est nécessaire de mettre en oeuvre un moyen de détection (position, intensité) distinct pour chacun des premier et second faisceaux secondaires. On se place dans la suite dans le cadre de ce troisième mode de réalisation de l'invention.
On illustre, en relation avec la figure 1, un capteur optique 1000 selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Le capteur optique 1000 comprend des premier 1100, second 1200 et troisième 1300 compartiments.
Dans le cadre de ce premier mode de mise en oeuvre, le second compartiment 1200 est rempli d'eau de mer et le capteur optique comprend des moyens de mise en circulation de l'eau de mer dans ce second compartiment. L'eau de mer pénètre dans le second compartiment 1200 via une première ouverture 1207 jouant le rôle d'entrée et sort du second compartiment 1200 via une seconde ouverture 1208 jouant le rôle de sortie. Bien entendu le rôle des ouvertures 1207, 1208 peut être inversé. Dans le cadre de ce premier mode de mise en oeuvre, les premier 1100 et troisième 1300 compartiments sont étanches. Le premier compartiment 1100 comprend une diode laser 1101 ainsi qu'un premier bloc électronique (non représenté) comprenant un circuit électronique et une alimentation permettant de fournir l'alimentation nécessaire au fonctionnement de la diode. Le second compartiment 1200 comprend un prisme optique 1201 accolé devant la sortie de la diode laser 1101 de laquelle est issue un faisceau lumineux principal 1202. Ce faisceau lumineux principal 1202 est séparé en un premier faisceau secondaire 1203 et un second faisceau secondaire 1204 par le prisme optique 1201. Le prisme est réalisé dans un matériau transparent pour les longueurs d'onde de la diode laser.
Le second compartiment 1200 comprend également un premier capteur de position 1205 de type PSD qui permet de mesurer la déviation par réfraction subie par le premier faisceau secondaire 1203 du fait de la traversée du prisme (constituant une couche d'un matériau déterminé) et d'une première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) contenue dans le second compartiment 1200.
L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000 (entre le prisme et le premier capteur de position 1205) ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un premier réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 1000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer. En effet, le premier faisceau secondaire 1203 est dévié par réfraction au niveau de l'interface prisme optique 1201 / eau de mer du capteur optique 1000. La position du premier faisceau 1203 est ensuite détectée et mesurée par le premier capteur de position 1205 tel qu'indiqué dans la demande de brevet français n FR0507996 déposé le 26 juillet 2005. Un second bloc électronique 52 (illustré ci-après en relation avec la figure 2), par exemple compris dans un premier sous compartiment étanche du second compartiment 1200, permet d'alimenter le premier capteur de position et de traiter les signaux du premier capteur de position 1205 afin de déduire l'indice de réfraction de l'eau de mer ainsi que la salinité de l'eau de mer. Le premier capteur de position 1205 présente une longueur utile d'environ 2 mm. Préférentiellement, une optique de collimation (non représentée sur cette figure 1), par exemple une lentille convergente, permet de focaliser le premier faisceau secondaire 1203 de la diode laser 1101 sur le premier capteur de position 1205 de manière à obtenir un premier faisceau secondaire focalisé d'environ 200!um de diamètre de spot au niveau du premier capteur de position 1205. Par exemple, l'optique de collimation est disposée à proximité de la sortie de la diode laser 1101 entre la diode laser et le prisme optique 1201. Bien entendu, on peut choisir d'autres diamètres de spot (préférentiellement un diamètre compris entre 200 !lm et 1 mm) pour le premier faisceau secondaire focalisé au niveau du premier capteur de position 1205 sans sortir du cadre de la présente invention.
Par exemple, le premier faisceau secondaire 1203 forme un angle d'incidence au niveau de l'interface prisme / eau de mer qui vaut 62 et qui est inférieur à l'angle de réflexion totale qui vaut sensiblement 88 (pour un indice du prisme de 1,50854 et pour un indice de l'eau de mer de 1,333).
Le second compartiment 1200 comprend également un second capteur de position 1206 de type PSD qui permet de mesurer l'atténuation subie par le second faisceau secondaire 1204 du fait de la traversée d'une seconde couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le second capteur de position 1206) contenue dans le second compartiment 1200.
Par ailleurs, le premier capteur de position 1205 permet de mesurer l'atténuation subie par le premier faisceau secondaire 1203 du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) contenue dans le second compartiment 1200. Tel qu'expliqué ci-après, la mesure de la visibilité dans l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000 est obtenue par comparaison : de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire 1203 détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer) et - de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire 1204 détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la seconde couche d'eau de mer). Préférentiellement, la première couche d'eau (entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) et la seconde couche d'eau de mer (entre le 25 prisme 1201 et le second capteur de position 1206) présentent des épaisseurs différentes. Ainsi, les chemins optiques parcourus par les premier 1203 et second 1204 faisceaux secondaires avant d'atteindre chacun des premier 1205 et second 1206 capteurs de position sont différents. Cette différence de marche détermine la 30 précision de la mesure de la visibilité dans l'eau de mer (l'indice étant calculé par ailleurs par le réfractomètre). En conséquence, l'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau contenue dans le second compartiment 1200, du premier capteur de position 1205, de la seconde couche d'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 ainsi que du second capteur de position 1206 permet de déterminer la visibilité dans l'eau de mer dans le capteur optique 1000. En effet, l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 est détectée et mesurée par le premier capteur de position 1205 et l'intensité du second faisceau secondaire 1204 est détectée et mesurée par le second capteur de position 1206.
Un troisième bloc électronique 53 (illustré ci-après en relation avec la figure 5), par exemple compris dans un second sous compartiment étanche du second compartiment 1200 ou dans le troisième compartiment 1300, permet d'alimenter le second capteur de position 1206. Par ailleurs, le second 52 et le troisième 53 bloc électronique permettent de traiter la valeur de l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 mesurée par le premier capteur de position 1205 la valeur de l'intensité du second faisceau secondaire 1204 mesurée par le second capteur de position 1206 afin de déduire la visibilité dans l'eau de mer. Pour ce faire, on mesure tout d'abord l'atténuation (due notamment à l'absorption et à la diffusion propagative et non contra-propagative comme dans le cas de la mesure de réflexivité mise en oeuvre dans le cadre de la détermination de la turbidité) de l'eau de mer (milieu turbide). On peut noter que la mesure de l'atténuation de l'eau de mer offre une estimation satisfaisante de la turbidité de l'eau de mer. La mesure de l'atténuation (ou contraste) ci-après référencée C est donnée dans le présent cas par la formule suivante : C = In (Ipsd1206"psd12O5)'(11205-112O6) où - In est le logarithme népérien ; Ipsd1206 est l'intensité du second faisceau secondaire 1204 mesurée par le second capteur de position 1206 ; Ipsd1205 est l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 mesurée par le premier capteur de position 1205 ; 11205 est le chemin optique associé à la la première couche d'eau (entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) 11206 est le chemin optique associé à la seconde couche d'eau de mer (entre le prisme 1201 et le second capteur de position 1206). Préférentiellement, les valeurs des intensités mesurées Ipsa1205 et Ip,a1206 sont corrigées afin de tenir compte de la réflexion à l'interface eau de merl capteur de position 1205, 1206.
Ainsi, on peut obtenir la visibilité V qui est donnée par la formule suivante : V = - ln (norme CL)/C où CL est le contraste limite humain (ou inherent contrast of the black target ) qui vaut dans le présent cas : -1.
Selon une variante du présent mode de réalisation, les second et troisième blocs électroniques sont réalisés sous la forme d'un seul bloc électronique global par exemple compris dans un sous compartiment étanche du second compartiment 1200. Le second capteur de position 1206 présente une longueur utile d'environ 20 2 mm. Préférentiellement, l'optique de collimation précitée (non représentée sur cette figure 1) permet de focaliser le second faisceau secondaire 1204 de la diode laser 1101 sur le second capteur de position 1206 de manière à obtenir un second faisceau secondaire focalisé d'environ 200 m de diamètre de spot au niveau du 25 second capteur de position 1206. Bien entendu, on peut choisir d'autres diamètres de spot (préférentiellement un diamètre compris entre 200 m et 1 mm) pour le second faisceau secondaire focalisé au niveau du second capteur de position 1206 sans sortir du cadre de la présente invention. 30 En conséquence, le prisme optique 1201 a simultanément pour fonction de réaliser la séparation des premier et second faisceaux secondaires à partir du faisceau principal et, lorsque associé au fluide, de donner lieu à la réfraction à l'origine de la déviation du premier faisceau secondaire. Par ailleurs, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le second faisceau secondaire 1204 est calculée à partir du coefficient de réflexion au niveau de l'interface prisme 1201 / eau de mer qui dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000. Ainsi, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est 10 transmise dans le second faisceau secondaire 1204 dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200. En conséquence, la mise en oeuvre du prisme fait que la mesure de l'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) subie par le second faisceau secondaire 1204 peut être corrigée par la connaissance de la proportion exacte 15 d'intensité provenant du faisceau principal 1202 dans le second faisceau secondaire 1204, proportion qui dépend de la valeur de l'indice de réfraction de l'eau de mer obtenue dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire. On présente, en relation avec la figure 2, un schéma des second bloc 20 électronique 52, troisième bloc électronique 53 et des moyens de correction 51 précités. Les moyens de correction 51 qui sont par exemple un calculateur, comprennent : - des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens 25 de mesure de déviation (premier capteur de position 1205 associé au second bloc optique 52) ; - des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et - des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation (second 30 capteur de position 1206 associé au second bloc optique 53), de l'indice du fluide obtenu. Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation subie par le second faisceau secondaire 1204 en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation subie par le premier faisceau secondaire 1203 et ainsi obtenir une mesure de l'atténuation et donc de la visibilité plus précise. En outre, du fait que le prisme partage plusieurs fonctions, le capteur selon l'invention est simple à réaliser, compact et peut être fabriqué pour un faible coût. En conséquence, aucun moyen réfléchissant n'est mis en oeuvre dans le capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en oeuvre précité. Un avantage d'un tel capteur optique est qu'il présente une grande résistance aux salissures ou au dépôt organique de toutes sortes résultant du fluide compris dans le capteur (en effet, les moyens réfléchissants sont très sensibles aux salissures). Ainsi, un tel capteur optique est particulièrement adapté aux mesures immergées. On illustre, en relation avec la figure 3, un capteur optique 2000 selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention. Le capteur optique 2000 selon le second mode de mise en oeuvre, comprenant un premier compartiment 2100 et un second compartiment 2200, est identique au capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en oeuvre si ce n'est : - qu'il ne comprend pas de troisième compartiment ; et qu'il comprend en outre des premiers moyens réfléchissants 2209 (par exemple un premier miroir) adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire 1203 en direction du premier capteur de position 1205. Par ailleurs, dans le cadre de ce second mode de mise en oeuvre, la première couche d'eau de mer est comprise entre le prisme 1201 et les premiers moyens réfléchissants 2209. L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau de mer précitée, des premiers moyens réfléchissants ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 2000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer. En outre, dans le cadre de ce second mode de mise en oeuvre, la mesure de la visibilité de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 2200 du capteur optique 2000 est obtenue par comparaison : de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire 1203 détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer ainsi que d'une couche d'eau de mer entre les premiers moyens réfléchissants 2209 et le premier capteur de position) et - de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire 1204 détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la seconde couche d'eau de mer). Dans le cadre de ce second mode de mise en oeuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du premier mode de mise en oeuvre notamment du fait de l'agencement des capteurs de position. Par ailleurs, dans le cadre de ce second mode de mise en oeuvre, les premier et second blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 2100. On illustre, en relation avec la figure 4, un capteur optique 3000 selon un 20 troisième mode de mise en oeuvre de l'invention. Le capteur optique 3000 selon le troisième mode de mise en oeuvre, comprenant un premier compartiment 3100 et un second compartiment 3200, est identique au capteur optique 2000 selon le second mode de mise en oeuvre si ce n'est qu'il comprend en outre des seconds moyens réfléchissants 3210 (par 25 exemple un second miroir) adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire 1204 en direction du premier capteur de position 1205. Par ailleurs, dans le cadre de ce troisième mode de mise en oeuvre, la seconde couche d'eau de mer est constituée d'une couche d'eau de mer comprise entre le prisme 1201 et les seconds moyens réfléchissants 3210 et d'une couche d'eau de mer comprise entre les seconds moyens réfléchissants 3210 et le second capteur de position 1206.
Ainsi, dans le cadre de ce troisième mode de mise en oeuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du second mode de mise en oeuvre car, les premier, second et troisième blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 3100.
On illustre, en relation avec la figure 5, un capteur optique 4000 selon un quatrième mode de mise en oeuvre de l'invention.
Le capteur optique 4000 selon le quatrième mode de mise en oeuvre, comprenant un premier compartiment 4100 et un second compartiment 4200, est identique au capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en oeuvre si ce n'est :
qu'il ne comprend pas de troisième compartiment ; et
qu'il comprend en outre des troisièmes moyens réfléchissants 4211 (par 15 exemple une lame semi transparente).
Dans le cadre de ce quatrième mode de mise en oeuvre, le prisme 1201 délivre un faisceau secondaire intermédiaire 4203 issu du faisceau principal 1202 et les troisièmes moyens réfléchissants 4211 sont adaptés pour réfléchir une partie (ci-après appelée premier faisceau secondaire) du faisceau intermédiaire 4203 en
20 direction du premier capteur de position 1205 et pour transmettre une partie (ci-après appelée second faisceau secondaire) du faisceau intermédiaire 4203 vers le second capteur de position 1206. Ainsi, dans le cadre de ce quatrième mode de mise en oeuvre, le premier capteur de position 1205 permet de mesurer la déviation par réfraction subie par le
25 premier faisceau secondaire du fait de la traversée du prisme (constituant une couche d'un matériau déterminé) et d'une première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et les troisièmes moyens réfléchissants 4211) contenue dans le second compartiment 1200.
L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la 30 première couche d'eau de mer précitée, des troisièmes moyens réfléchissants ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 4000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer. En outre, dans le cadre de ce quatrième mode de mise en oeuvre, la mesure de la visibilité de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 4200 du capteur optique 4000 est obtenue par comparaison (tel qu'indiqué ci-dessus en relation avec la figure 1) : de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire (issu du faisceau intermédiaire 1203) détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie : des atténuations du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer et du fait de la traversée d'une couche d'eau de mer entre les troisièmes moyens réfléchissants 4211 et le premier capteur de position) et de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire (issu du faisceau intermédiaire 1203) détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer. Dans le cadre de ce quatrième mode de mise en oeuvre, les premier et second blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 4100.
Les troisièmes moyens réfléchissants 4211 doivent être en partie transparents, par exemple ils sont une lame semi-transparente. Par ailleurs, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le faisceau intermédiaire est calculée à partir du coefficient de réflexion au niveau de l'interface prisme 1201 / eau de mer qui dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 4200 du capteur optique 4000. La proportion en intensité du faisceau intermédiaire 4203 qui est transmise dans les premier et second faisceaux secondaires dépend du coefficient de réflexion de la lame semi transparente 4211.
Ainsi, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le second faisceau secondaire dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200. En conséquence, la mise en oeuvre du prisme fait que la mesure de l'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) subie par le second faisceau secondaire peut être corrigée par la connaissance de la proportion exacte d'intensité provenant du faisceau principal 1202 dans le second faisceau secondaire, proportion qui dépend de la valeur de l'indice de réfraction de l'eau de mer obtenue dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire.
Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation subie par le second faisceau secondaire en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation subie par le premier faisceau secondaire et ainsi obtenir une mesure de l'atténuation et donc de la visibilité plus précise. Par exemple, dans les capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000, les 15 moyens de mise en circulation de l'eau de mer dans le second compartiment comprennent : un premier conduit (non illustré), par exemple de section elliptique, qui est relié à la première ouverture 1207 (entrée) et qui permet de faire entrer l'eau de mer dans le second compartiment 1200 ; 20 - un second conduit (non illustré), par exemple de section elliptique, qui est relié à la seconde ouverture 1208 (sortie) et qui permet de faire sortir l'eau de mer du second compartiment 1200. Chacun des capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000 est donc non seulement adapté à faire des mesures in situ, et des mesures à différentes 25 profondeurs ou situations géographiques (notamment dans un océan, une mer, un lac,...), mais il permet de plus de limiter les effet du fouling d'origine marine grâce à sa géométrie particulière. En effet, on choisit par exemple un conduit de section d'environ lcm, ce qui permet d'éviter les effets de turbulence et ce qui permet par exemple de fixer des pastilles de TBT (Tri-Buthylétain) dans le 30 conduit qui ont pour effet de limiter les effets du fouling d'origine marine.
En effet, le temps de réponse dépend du rapport longueur / diamètre de la surface d'échange thermique entre l'eau de mer et le conduit ainsi que de la vitesse de circulation du liquide. L'utilisation d'un conduit permet de fixer à volonté la valeur de ces deux variables, la valeur de la vitesse de circulation de l'eau de mer pouvant en outre être rendue constante par l'utilisation d'une pompe. Le choix d'une section du conduit de 1 cm correspond à un compromis entre une section suffisante pour permettre une bonne circulation d'eau (entre le l'eau de mer et le capteur optique) mais pas trop importante pour éviter les régimes de turbulence.
Par exemple, le prisme optique est réalisé dans au moins l'un des matériaux appartenant au groupe comprenant les : N-K5 ; N-F2 ; N-BAF51 ; -N-LF5 ; N-SF5 ; N-SK10 ; - N-BK7 ; - N-LLF1.
Bien entendu, le prisme optique peut être monobloc ou être consitué de plusieurs sous-blocs. Les capteurs de position sont par exemple des PSD commercialisés par la société HAMAMATSU sous la référence S4584-06. Ils sont sensibles dans le rouge pour des longueurs d'onde autour de 635 nm, ils sont également sensibles pour des longueurs d'onde supérieures à 800nm. Ils présentent une résolution maximale de 0,1 m (ce qui est négligeable lorsque comparé au diamètre du spot laser), une longueur utile de 2,5 mm et coopère avec un circuit électronique référencé C3683-01. Ces capteurs de position présentent une bonne résolution, de l'ordre de 0,3 30 m, avec une tolérance de positionnement très grande. Ces caractéristiques du capteur de position permettent d'envisager l'utilisation d'une taille de spot effective comprise entre 200 pm et 1 mm. On montre que la qualité du faisceau joue peu sur le résultat de la mesure. D'autre part, par exemple, dans les capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000, la diode laser coopère avec des moyens de focalisation (par exemple une lentille convergente) permettant de focaliser le faisceau lumineux principal (issu de la diode laser) sur au moins des capteurs de position. Préférentiellement, la taille du spot du faisceau laser focalisé est comprise entre 200 m et 1 mm. Par exemple, les moyens de focalisation sont disposés à 10 proximité de la source laser entre la source laser et le prisme. Les diodes laser sont par exemple des diodes laser collimatées commercialisés par la société PHOTONIC sous la référence 301-P. Elle émettent un faisceau laser de longueur d'onde de 635 nm, de puissance sensiblement égale à 0,9 mW, de taille de faisceau d'environ 1,8 mm x 1,8 mm, de divergence 15 maximum dans l'air de 6 mrd et de diamètre de faisceau collimaté de 8 mm. Les modes de mise en oeuvre ainsi que les modes de réalisation précités peuvent être combinés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus.
20 En particulier, l'Homme du Métier pourra apporter toute variante dans le choix des matériaux constituant le prisme, le conduit, ou toute autre pièce des capteurs optiques. L'invention s'applique bien sûr, également dans le cadre d'autres types de section de conduit, par ailleurs, on peut mettre en oeuvre dans les capteurs 25 optiques selon la présente invention des conduits présentant des sections variables en fonction de la position sur le conduit.
Claims (14)
1. Capteur optique (1000, 2000, 3000) pour la mesure simultanée de la déviation et de l'atténuation d'au moins un faisceau lumineux dans un fluide caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de génération d'un faisceau lumineux principal (1202), et de premier (1203) et second (1204) faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal ; - des moyens de mesure de déviation, permettant d'obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire du fait de 10 la traversée d'au moins une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche de fluide ; - des moyens de mesure d'atténuation, permettant d'obtenir une mesure d'atténuation, subie par le second faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une seconde couche de fluide ; 15 - des moyens de correction (51) de ladite mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de correction (51) comprennent : 20 - des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens de mesure de déviation ; - des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et - des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation, de 25 l'indice du fluide obtenu.
3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation temporelle du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires. 30
4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ceque les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation spectrale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
5. Capteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme (1201) délivrant un faisceau secondaire intermédiaire (4203) issu du faisceau principal (1202) et des troisièmes moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, en direction du premier capteur de position (1205) et pour transmettre le second faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, vers le second capteur de position (1206).
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation spatiale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation comprennent au moins un prisme optique et en ce que ladite couche de matériau déterminée est comprise dans ledit au moins un prisme optique.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure de déviation comprennent au moins un premier capteur de position (1205).
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de mesure d'atténuation comprennent au moins un second capteur de position (1206).
10. Capteur optique selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire en direction du premier capteur de position (1205).
11. Capteur optique selon la revendication 9 et l'une quelconque des revendications 8 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire en direction dusecond capteur de position (1206).
12. Capteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fluide est de l'eau de mer et en ce qu'il est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé.
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que ladite source lumineuse est une source laser (1101).
14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise en circulation du fluide dans le capteur optique.10
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