FR3017210A1 - Spectrometre et systeme d'analyse de fluide - Google Patents

Abstract

Un spectromètre, en particulier pour le montage dans un module de capteur d'un système d'analyse de fluide, comporte une source de rayonnement et les composants suivants qui définissent une trajectoire des rayons ou qui sont agencés le long de la trajectoire des rayons : un espace à échantillons (26) pour un fluide à examiner, une première lentille (44), un élément de diffraction (48), une deuxième lentille (50) et un détecteur (52). Une ouverture de limitation (46) pour la limitation du diamètre effectif du faisceau lumineux incident sur l'élément de diffraction (48) est prévue entre l'espace à échantillons (26) et l'élément de diffraction (48).

Description

Spectromètre et système d'analyse de fluide L'invention se rapporte à un spectromètre, en particulier pour le montage dans un module de capteur d'un système d'analyse de fluide. L'invention se rapporte en outre à un système d'analyse de fluide comportant un spectromètre de ce type. Les spectromètres sont très importants pour l'analyse de fluides, spécialement de l'eau (potable), étant donné qu'ils permettent des mesures de paramètres importants sans contact et soit avec ou sans l'ajout d'additifs. La mesure du coefficient d'absorption spectrale (SAC, anglais : spectral absorption coefficient), par exemple à 254 nm, ou bien la mesure de la teneur en carbone organique (TOC, anglais : total organic carbon) en font par exemple partie. Des appareils d'analyse sont désirés, lesquels présentent plusieurs modules de capteur et/ou des modules de capteur échangeables qui doivent être aussi petits que possible. La structure compacte des spectromètres avec des composants peu coûteux (lentille, grille et ouvertures) apporte cependant des inconvénients. En particulier la courbure importante du champ d'image sur lequel le spectre est représenté est problématique. La courbure importante est le résultat de l'espace de montage étroit qui nécessite des lentilles présentant des distances focales limitées et donc de petits rayons de lentille.

Le but de l'invention est de présenter un spectromètre compact avec une résolution améliorée du spectre représenté. Ce but est atteint au moyen d'un spectromètre présentant les caractéristiques de la revendication 1. Des réalisations avantageuses et fonctionnelles du spectromètre selon l'invention sont indiquées dans les revendications 25 dépendantes. Le spectromètre selon l'invention est en particulier prévu pour le montage dans un module de capteur et comporte une source de rayonnement ainsi que les composants suivants qui définissent une trajectoire des rayons ou qui sont agencés le long de la trajectoire des rayons : un espace à échantillons, une 30 première lentille, un élément de diffraction, une deuxième lentille et un détecteur. - 2 - Selon l'invention, une ouverture de limitation pour la limitation du diamètre effectif du faisceau lumineux incident sur l'élément de diffraction est prévue entre l'espace à échantillons et l'élément de diffraction. Par rapport à la trajectoire des rayons partant de la source de rayonnement, les composants nommés sont de préférence agencés dans l'ordre indiqué, l'ouverture de limitation se trouvant soit devant, soit derrière la première lentille, ce qui sera expliqué de manière encore plus détaillée dans ce qui suit. Le spectromètre peut bien sûr comporter d'autres composants sans que ceci quitte le cadre de l'invention.

Les termes « rayonnement » et « lumière » sont utilisés en tant que synonymes dans ce qui suit indépendamment de la longueur d'onde du rayonnement émis par la source de rayonnement. L'espace intérieur d'une cuve, d'un canal pour un agent ou d'un autre récipient approprié pour la réception du fluide qui est de préférence apte à être traversé par le fluide, peut servir d'espace à échantillons pour le fluide à examiner. Les lentilles du spectromètre selon l'invention sont en particulier des lentilles convexes, c'est-à-dire des lentilles avec une réfringence positive, de préférence des lentilles planes-convexes qui convertissent un faisceau lumineux parallèle en un faisceau lumineux convergent. Une grille de réflexion, une grille de transmission ou un prisme peut en particulier être envisagé(e) comme élément de diffraction. Le diamètre effectif du faisceau lumineux incident sur l'élément de diffraction est considéré dans un plan perpendiculaire à l'axe optique, l'axe optique étant par exemple défini par une ouverture d'entrée agencée entre la source de rayonnement et l'espace à échantillons, et par la première lentille, ou uniquement par la première lentille, et indiquant au moins jusqu'à l'élément de diffraction la direction principale de la trajectoire des rayons. Plus précisément, la longueur maximale du faisceau lumineux dans le sens dans lequel la décomposition en des composantes spectrales est réalisée (éventuellement après une déviation) est considérée comme diamètre effectif, sans tenir compte du fait si le faisceau lumineux est circulaire, ovale ou formé d'une autre manière. - 3 - L'invention repose sur la conclusion qu'une très bonne résolution peut également être obtenue avec un petit spectromètre présentant des composants simples (peu coûteux). Selon l'invention, l'ouverture de limitation qui limite le diamètre effectif du faisceau lumineux incident sur l'élément de diffraction est responsable de la résolution améliorée. Comme dans chaque spectromètre optique courant, la lumière incidente sur l'élément de diffraction est divisée en ses couleurs spectrales par l'élément de diffraction avant d'être focalisée sur un détecteur sensible à la lumière pour la gamme de longueurs d'onde pertinente au moyen d'une deuxième lentille. L'ouverture de limitation fait que seul un faisceau lumineux très étroit soit incident sur l'élément de diffraction. Les défauts optiques dans le plan de détecteur dus à la courbure de champ d'image inévitable sont ainsi fortement réduits, c'est-à-dire que la résolution ou la netteté du spectre représenté est considérablement améliorée. D'autres défauts de représentation tels que l'aberration chromatique ou sphérique sont également fortement réduits.

Pour obtenir une amélioration significative de la résolution en particulier en utilisant une première lentille avec un diamètre relativement grand, la largeur de l'ouverture de limitation devrait dans ce cas être nettement inférieure au diamètre de la première lentille. Pour les applications préférées de l'invention, une largeur de l'ouverture de limitation comprise entre 0,1 et 1,5 mm, de préférence entre 0,1 et 1,0 mm a fait ses preuves. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la distance focale de la première lentille est dans la plage des centimètres, de préférence entre 3 et 7 cm. La distance focale de la deuxième lentille peut être également dans la plage des centimètres, de préférence entre 2 et 5 cm. L'amélioration de la résolution est en corrélation avec un facteur de netteté défini comme S = RB / d, avec RB = rayon de champ d'image et d = largeur de l'ouverture de limitation. Pour des résultats utilisables, le facteur de netteté est préférablement supérieur à 10 et de préférence être compris entre 30 et 70.

Comme déjà mentionné ci-dessus, il existe en principe deux possibilités pour l'agencement de l'ouverture de limitation. La première possibilité prévoit un agencement de l'ouverture de limitation entre la première lentille et l'élément de - 4 - diffraction. Dans cette zone derrière la première lentille, laquelle est également nommée espace de Fourier, la lumière de la source de rayonnement est collimatée. C'est la raison pour laquelle la distance entre l'ouverture de limitation et la lentille collimatrice peut être pratiquement sélectionnée au choix, ce qui permet une plus grande liberté de réalisation. L'ouverture de limitation peut par exemple être formée par un canal de lumière étroit dans un composant servant de préférence également en tant qu'attache pour la première lentille. Le composant remplit alors deux fonctions. Selon une réalisation particulièrement peu encombrante, l'ouverture de limitation peut être réalisée dans une couche qui est appliquée sur une face de la première lentille, et qui est tournée vers l'élément de diffraction, c'est-à-dire que la couche est interrompue à l'endroit de l'ouverture de limitation. La deuxième possibilité pour le placement de l'ouverture de limitation prévoit l'agencement de celle-ci dans la trajectoire des rayons directement devant la première lentille. Dans ce cas, l'ouverture de limitation doit se trouver le plus près possible de la première lentille, parce que la lumière de la source de rayonnement n'est pas encore collimatée par la première lentille à cet endroit. L'ouverture de limitation peut encore être réalisée de manière peu encombrante dans une couche appliquée sur la face de la première lentille, qui est tournée vers l'espace à échantillons, c'est-à-dire que la couche est interrompue à l'endroit de l'ouverture de limitation. En particulier lorsque la première lentille est extrêmement petite, par exemple dans une plage de 0,1 à 1,5 mm, de préférence de 0,1 à 1,0 mm, mais non exclusivement, l'ouverture de limitation peut simplement être formée par une attache entourant directement la première lentille. Un détecteur linéaire, en particulier un capteur de lignes est de préférence utilisé comme détecteur, étant donné qu'un tel détecteur ne nécessite que peu d'espace de montage et qu'un détecteur plan à deux dimensions n'est pas obligatoirement nécessaire pour la saisie du spectre. - 5 - Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, l'extension maximale de la zone optiquement sensible du détecteur peut être dans la plage des centimètres, de préférence entre 1 et 4 cm. En particulier, pour des utilisations dans le domaine de l'analyse d'eau, dans laquelle les agents à détecter ne sont présents qu'à des concentrations très faibles, il peut être nécessaire ou tout du moins avantageux que la lumière de la source de rayonnement utilise une trajectoire aussi longue que possible à travers le fluide. C'est la raison pour laquelle l'espace à échantillons peut avoir une longueur de plusieurs centimètres dans le sens de la trajectoire des rayons, de préférence une longueur de plus de 4 cm. Pour l'analyse de fluides en écoulement, il est avantageux d'avoir une structure dans laquelle l'espace à échantillons est relié à un canal d'amenée et à un canal d'évacuation, lesquels débouchent tous les deux de préférence dans l'espace à échantillons par l'intermédiaire de conduites annulaires, les conduites annulaires étant réalisées dans un boîtier entourant l'espace à échantillons. L'élément de diffraction du spectromètre selon l'invention est de préférence réalisé sous forme de grille réflectrice. La grille réflectrice assure, en plus de la diffraction nécessaire pour l'analyse, également une déviation du faisceau lumineux. Grâce à un agencement approprié de la grille réflectrice, il est possible d'agencer les composants suivants à côté des composants ci-dessus, de sorte que l'espace de montage dans le sens de l'axe optique peut être raccourci. L'élément de diffraction en tant que grille de diffraction peut également être revêtu d'une géométrie en fente appropriée ou être réalisé aussi étroit que le serait une fente.

Pour beaucoup d'utilisations, une lampe éclair au xénon dont la lumière va de la gamme des rayons ultraviolets à la gamme des rayons infrarouges convient en tant que source de rayonnement. Selon un premier type de structure du spectromètre selon l'invention, une ouverture d'entrée supplémentaire est agencée dans la trajectoire des rayons, de préférence plus ou moins directement derrière la source de rayonnement. Une telle ouverture d'entrée assure que l'entrée de la lumière utilisée pour les mesures soit toujours exactement au même endroit dans le spectromètre. - 6 - Une structure particulièrement compacte résulte d'un agencement dans lequel l'espace à échantillons est agencé derrière l'ouverture d'entrée dans la trajectoire des rayons. L'espace à échantillons est ainsi intégré dans le spectromètre même, grâce à quoi le volume de montage est dans l'ensemble réduit. L'invention fournit aussi un système d'analyse de fluide comportant un spectromètre du type cité ci-dessus. Lorsque le spectromètre selon le premier type de structure mentionné ci-dessus présente une ouverture d'entrée, ceci à l'inconvénient que l'ouverture d'entrée doit être orientée de manière exacte vers la source de rayonnement, ce qui suppose un effort de montage correspondant. Dans un développement particulier de l'invention, la structure du spectromètre selon l'invention est à cet égard simplifiée. Selon ce deuxième type de structure simplifié, aucune ouverture d'entrée n'est prévue entre la source de rayonnement et l'espace à échantillons du spectromètre. Le système d'analyse de fluide peut cependant comporter dans ce cas une unité électronique réalisée de manière à tenir compte d'un décalage des spectres saisis par le détecteur lors de l'évaluation de plusieurs mesures (successives). Ainsi, l'ouverture d'entrée manquante et son orientation sont remplacées par un procédé mathématique.

Un étalonnage initial peut de préférence être effectué par une association d'un maximum caractéristique du spectre à un pixel d'un capteur du détecteur. Sur la base de ce pixel, d'autres pixels du capteur sont ensuite associés de manière fixe à des longueurs d'onde correspondantes. De manière idéale, chaque mesure peut être étalonnée ou corrigée individuellement au moyen d'une zone caractéristique choisie du spectre saisi, sous forme de fenêtre d'évaluation définie par une gamme de longueurs d'onde ou une gamme de pixels du capteur correspondant à la plage de longueurs d'onde, et par une plage d'intensité. Dans la plupart des cas, le plus simple peut être de calculer un décalage entre différentes mesures au moyen de la position d'un maximum du spectre à l'intérieur de la fenêtre d'évaluation. Un axe de longueur d'onde corrigé est - 7 - déterminé pour chaque spectre saisi, et la moyenne de ces mesures est calculée après cet ajustement. Selon une structure globale qui est avantageuse, le système d'analyse de fluide selon l'invention peut comporter un module de capteur dans lequel au moins un spectromètre selon l'invention est monté, et une unité d'analyse. Le module de capteur est alors apte à être fixé dans l'unité d'analyse au moyen d'une bride d'arrêt en réalisant en même temps des liaisons électriques et fluidiques. Le montage et le raccordement du module de capteur sont ainsi considérablement simplifiés.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante et des dessins annexes auxquels il est fait référence. Les dessins montrent : - la figure 1 une vue en perspective d'un système d'analyse de fluide modulaire présentant un module de capteur selon l'invention ; - la figure 2 une vue en perspective d'un module de capteur selon l'invention ; - la figure 3 une vue en coupe d'un module de capteur selon l'invention présentant un spectromètre selon l'invention ; - la figure 4 un exemple pour le cours d'écoulement du fluide à examiner dans le module de capteur ; - la figure 5 montre une trajectoire de rayons à travers un spectromètre sans deuxième ouverture, lequel ne correspond pas à l'invention ; - la figure 6 montre la trajectoire des rayons à travers un spectromètre selon l'invention, qui présente une deuxième ouverture ; - les figures 7a à 7f montrent d'autres exemples d'agencement et de réalisation de la deuxième ouverture ; - les figures 8a à 8f montrent différents exemples de réalisation de la forme géométrique de la deuxième ouverture ; - 8 - - la figure 9 montre deux trajectoires des rayons à travers un spectromètre selon l'invention, représenté de manière simplifiée selon un type de structure alternatif ; - la figure 10 est une représentation schématique d'une partie de deux spectres saisis par le détecteur sous forme de mesures successives ; - la figure 11 montre trois spectres mesurés dans un diagramme dans lequel l'intensité de lumière est rapportée sur la position des pixels du capteur du détecteur ; et - la figure 12 est un spectre moyen rapporté dans le diagramme sans correction de l'axe des y, et un spectre moyen avec l'axe des y corrigé. La figure 1 représente un système d'analyse de fluide 10 avec une structure modulaire, qui comporte une unité électronique, ici sous forme de module électronique 12 avec un écran de visualisation 14, ainsi qu'une unité d'analyse, ici sous forme de module d'analyse 16. Un ou plusieurs modules de capteur 18 peuvent être montés dans le module d'analyse 16. Le montage est effectué de manière simple au moyen d'une bride d'arrêt 20 fixée sur le module de capteur 18. En plus de la fixation du module de capteur 18 dans le module d'analyse 16, toutes les liaisons électriques et fluidiques nécessaires sont en même temps réalisées lors du verrouillage de la bride d'arrêt 20. Un module de capteur 18 individuel avec les raccordements électroniques 22 et les raccordements fluidiques 24a, 24b correspondants est montré à la figure 2. Il est visible à la figure 3 qu'un spectromètre compact est logé dans le module de capteur 18. Le spectromètre sert à examiner un fluide apte à s'écouler dans et hors d'un espace à échantillons 26 par l'intermédiaire de canaux (non représentés à la figure 3). La source de rayonnement 28 du spectromètre est choisie selon le type d'analyse souhaité. Une lampe de mercure basse pression peut par exemple être prévue, qui émet des rayons ultraviolets avec un pic primaire à 254 nm, ou bien une lampe éclair au xénon dont la lumière va de la plage des rayons ultraviolets (à partir d'environ 190 nm) jusqu'à la plage des rayons infrarouges (jusqu'à environ 2000 nm). Le terme « lumière » est ici utilisé par souci de simplicité, - 9 - même lorsque le rayonnement émis de la source de rayonnement 28 se trouve hors du domaine visible. Une petite fenêtre d'entrée 30 de la source de rayonnement 28 sinon blindée, et une ouverture d'entrée (ci-après : première ouverture) 32 du spectromètre définissent un axe optique A. La largeur de l'ouverture d'entrée 32 se trouve dans la plage des (sous-)millimètres et est par exemple comprise entre 0,1 et 1,0 mm. La lumière pénètre alors dans l'espace à échantillons 26, dans lequel se trouve le fluide à examiner, à travers une fenêtre d'entrée 34 frontale qui est translucide pour la lumière de la source de rayonnement 28.

L'espace à échantillons 26 est allongé, la dimension le long de l'axe optique A étant de l'ordre de grandeur de plusieurs centimètres, par exemple de 6 cm. Une telle longueur dans le sens de la trajectoire des rayons est nécessaire lorsque les composés à détecter sont présents uniquement à une faible concentration dans le fluide.

L'espace à échantillons 26 peut être l'intérieur d'une cuve ou d'un autre boîtier entourant un canal de fluide. Un exemple pour l'amenée et l'évacuation du fluide par l'intermédiaire de conduites annulaires 36a, 36b dans un tel boîtier 38 est montré à la figure 4. Pour une meilleure visibilité, seuls les raccordements fluidiques 24a, 24b, le canal d'amenée 40a et le canal d'évacuation 40b ainsi que le boîtier 38 avec la fenêtre d'entrée 34 frontale et la fenêtre de sortie 42 agencée à l'extrémité opposée, à travers laquelle la lumière est découplée hors de l'espace à échantillons 26 le long de l'axe optique A, sont représentés ici. Afin de minimiser les influences de lumière diffusée, le boîtier 38 entourant l'espace à échantillons 26 est si possible opaque, ce qui peut être obtenu par exemple au moyen d'un revêtement dans le cas d'une matière de boîtier (semi-)transparente. Ceci n'est bien entendu pas valable pour les zones de la fenêtre d'entrée 34 et de la fenêtre de sortie 42. Pour réduire le volume de montage, l'espace à échantillons 26 est en tous les cas intégré dans le spectromètre, c'est-à-dire que l'espace à échantillons 26 ne se trouve pas devant mais derrière l'ouverture d'entrée 32 du spectromètre. -10- La lumière découplée hors de l'espace à échantillons 26 pénètre à travers une lentille collimatrice (première lentille) 44 et une ouverture de limitation supplémentaire (ci-après : deuxième ouverture) 46. La distance focale de la lentille collimatrice 44 est dans la plage des centimètres et est par exemple de 5 cm. Comme montré à la figure 3, la deuxième ouverture 46 est de préférence agencée dans la zone du faisceau lumineux dans laquelle les rayons sont collimatés par la première lentille 44 et sont donc parallèles. La deuxième ouverture 46 peut cependant également être agencée tout juste devant la première lentille 44, vue dans le sens de la trajectoire des rayons, ce qui sera expliqué de manière encore plus détaillée dans ce qui suit. La deuxième ouverture 46 est de préférence réalisée sous forme de fente étroite dont le sens longitudinal s'étendrait perpendiculairement au plan du papier à la figure 3. L'étendue maximale de la fente perpendiculairement (transversalement) au sens longitudinal définit la largeur d de la deuxième ouverture 46 (voir par exemple la figure 8a) qui est dans la plage des (sous-)millimètres et est par exemple comprise entre 0,1 et 1,0 mm. Les formes géométriques possibles de la deuxième ouverture 46 seront également expliquées de manière plus détaillée dans ce qui suit.

Suite à la décomposition de la lumière au moyen d'un élément de diffraction 48 sous forme de grille de réflexion, de grille de transmission ou de prisme, en ses couleurs spectrales, elle est focalisée sur un détecteur 52 sensible à la lumière pour la gamme de longueurs d'onde pertinente au moyen d'une lentille de focalisation (deuxième lentille) 50. La distance focale de la lentille de focalisation 50 se trouve de nouveau dans la plage des centimètres et est par exemple de 3,6 cm. L'élément de diffraction 48 est de préférence réalisé sous forme de grille réflectrice de sorte que le détecteur 52 ne doit pas nécessairement se trouver dans le prolongement de l'axe optique A mais peut être agencé de manière peu encombrante dans un espace libre du module de capteur 18 à côté de l'espace à échantillons 26. L'élément de diffraction 48 en tant que grille de diffraction peut également être revêtu d'une géométrie en fente ou être réalisé aussi étroit que le serait une fente.

Le détecteur 52 est de préférence un capteur de lignes peu encombrant présentant un arrangement à une dimension composé d'éléments de détecteur appropriés. La longueur de la zone optiquement sensible dans le plan de détecteur 54 se trouve dans la plage des centimètres et est de préférence de 2,54 cm. Les signaux électriques du détecteur 52 sont traités dans une unité d'évaluation du module de capteur 18 et/ou du module électronique 12 du système d'analyse de fluide 10. Les résultats des mesures sont affichés sur l'écran de visualisation 14 du module électronique 12. Dans ce qui suit, l'importance de la deuxième ouverture 46 pour la qualité des résultats de mesure est expliquée de façon plus détaillée. A cet effet, la trajectoire des rayons montrée à la figure 5 est tout d'abord considérée, dans laquelle il n'y a pas de deuxième ouverture. Une telle configuration provoque une forte courbure du champ d'image 56 en particulier lorsque des composants peu coûteux (ouverture d'entrée 32, lentilles 44, 50, élément de diffraction 48) sont utilisés et une structure compacte du spectromètre est choisie. Le champ d'image 56 est ici la surface sur laquelle le spectre dispersé de la lumière est représenté de manière nette. Le rayon RB du champ d'image 56 peut être dérivé mathématiquement de manière connue à partir des distances focales et des indices de réfraction des lentilles 44, 50 en calculant la soi-disant somme de Petzval. La somme de Petzval est généralement définie de la manière suivante : avec fi = distance focale et ni = indice de réfraction de la lentille respective. La valeur réciproque de la somme de Petzval, rp, correspond au rayon de 25 champ d'image RB cherché. Comme déjà mentionné, une courbure relativement forte du champ d'image 56 est obtenue ici en raison des faibles dimensionnements du spectromètre et des petites distances focales ainsi nécessaires, ce qui signifie aussi de petits rayons de lentille. Selon les valeurs citées en exemple ci-dessus, une valeur de 30 32 mm serait obtenue pour le rayon de champ d'image RB en supposant un -12- indice de réfraction de n = 1,54 des deux lentilles 44, 50. Une telle courbure ne s'accorde cependant pas à l'agencement plan des éléments détecteurs du capteur de lignes (plan de détecteur 54). Comme il est visible à la figure 5, le plan de détecteur 54 et le champ d'image 56 coïncident uniquement à deux endroits, c'est-à-dire qu'à tous les autres endroits, la résolution est suboptimale. Plus la courbure du champ d'image 56 est forte, plus la représentation sur le détecteur 52 est floue. Ceci est représenté à titre d'exemple pour quatre longueurs d'onde À1, À2, À3 et À4 choisies de manière quelconque à la figure 5.

Il est certes possible d'obtenir une résolution élevée pour des zones spectrales étroites individuelles particulièrement intéressantes en positionnant le détecteur 52 de manière appropriée par rapport au champ d'image 56. Pour la plupart des cas d'application, ceci n'est cependant pas suffisant, en particulier lorsque les exigences sont élevées en ce qui concerne le résultat de mesure.

La deuxième ouverture 46 est prévue afin de permettre une résolution aussi élevée que possible sur une plus grande zone du spectre, c'est-à-dire aussi pour minimiser le flou des autres plages de longueurs d'onde. La figure 6 montre la trajectoire des rayons à travers le spectromètre avec la deuxième ouverture 46. Il est bien visible ici que la largeur d de la deuxième ouverture 46 est nettement inférieure au diamètre D de la lentille collimatrice 44. Il résulte de la comparaison entre la figure 5 et la figure 6 qu'en raison de la deuxième ouverture 46, seule une partie très étroite du faisceau lumineux dirigé dans la même direction par la lentille collimatrice 44 est incidente sur l'élément de diffraction 48, c'est-à-dire que le diamètre maximal du faisceau lumineux est fortement limité par la deuxième ouverture 46 dans le sens perpendiculaire à l'axe optique A dans le plan du papier de la figure 6. En d'autres termes : le diamètre effectif du faisceau lumineux est réduit à la largeur d de la deuxième ouverture 46. Les défauts optiques dans le plan de détecteur 54 provoqués par la courbure du champ d'image sont ainsi considérablement limités. Ceci apparaît à titre d'exemple pour les longueurs d'onde À1, À2, À3 et À4 qui sont toutes représentées de manière très nette. -13- Il est évident que la netteté de la représentation totale augmente avec la diminution d'une largeur d'ouverture d. Quantitativement, ceci peut être exprimé par un facteur de netteté S qui peut être défini de la manière suivante : S = RB / d avec RB = rayon de champ d'image et d = largeur de la deuxième ouverture. Le facteur de netteté S est de préférence supérieur à 10, une valeur comprise entre 30 et 70 étant visée. Les figures 7a à 7f montrent des réalisations ou des agencements alternatifs de la deuxième ouverture 46 par rapport à la lentille collimatrice 44 entre l'espace à échantillons 26 et l'élément de diffraction 48. La deuxième ouverture 46 peut en principe être agencée soit derrière, soit directement devant la lentille collimatrice 44. Dans le premier cas, lorsque la deuxième ouverture 46 est donc agencée dans la zone dans laquelle la lumière est collimatée (espace de Fourier), la distance entre la deuxième ouverture 46 et la lentille collimatrice 44 ou l'élément de diffraction 48 peut pratiquement être sélectionnée au choix. Dans le deuxième cas, la deuxième ouverture 46 est préférablement placée le plus près possible de la lentille collimatrice 44. Selon la figure 7a, une couche opaque 58 est appliquée sur la face de la lentille collimatrice 44 qui est tournée vers l'espace à échantillons 26, par exemple par évaporation sous vide. Un petit orifice est prévu en tant que deuxième ouverture 46 dans la couche 58 au niveau du point d'intersection avec l'axe optique A. A la figure 7b, la deuxième ouverture 46 est réalisée dans un composant séparé 60 agencé tout juste devant la lentille collimatrice 44.

Ceci est également valable pour la figure 7c, la deuxième ouverture 46 étant ici cependant agencée derrière la lentille collimatrice 44. Comme déjà mentionné, la distance par rapport à la lentille collimatrice 44 n'est pas critique ici. Dans le mode de réalisation de la figure 7d, il est prévu une lentille collimatrice 44 extrêmement petite qui est retenue dans un composant 60. La deuxième ouverture 46 est ici déterminée par l'attache qui entoure directement la lentille collimatrice 44. -14- A la figure 7e, la deuxième ouverture 46 est déterminée par un canal de lumière étroit 62 dans un composant 60 agencé derrière la lentille collimatrice 44, lequel peut également servir à retenir la lentille collimatrice 44. Comme montré à la figure 7f, par analogie au mode de réalisation de la figure 7a, une couche 58 opaque peut également être appliquée sur la face de la lentille collimatrice 44 qui est tournée vers l'élément de diffraction 48, laquelle présente un petit orifice en tant que deuxième ouverture 46 au point d'intersection avec l'axe optique A. Les figures 8a à 8f montrent des formes géométriques possibles de la deuxième ouverture 46. En plus des réalisations en forme de fente, des réalisations circulaires ou d'autres réalisations ovales, mais aussi carrées, rectangulaires ou d'autres réalisations en forme de polygone sont possibles, le cas échéant dans un plus grand nombre que l'arrangement linéaire. Principalement la largeur d'ouverture d est dans tous les cas responsable de la netteté de la représentation, laquelle présente la même taille dans toutes les réalisations montrées. Dans toutes les réalisations montrées aux figures 8a à 8f, la deuxième ouverture 46 dans une structure selon la figure 3 ou dans une structure similaire est toujours agencée de telle sorte que la largeur d'ouverture d se trouve dans une direction perpendiculaire à l'axe optique A dans le plan du papier (voir la figure 6). Ceci signifie que le faisceau lumineux, après avoir traversé la deuxième ouverture 46, est plus étroit dans ce sens que dans un sens perpendiculaire à celui-ci (comme par exemple dans les réalisations selon les figures 8a à 8d et 8f). Le diamètre « effectif » du faisceau lumineux est cependant toujours le diamètre dans le sens de la largeur d'ouverture d.

La figure 9 représente de manière simplifiée un type de structure alternatif du spectromètre décrit ci-dessus, dans lequel aucune ouverture d'entrée 32 n'est prévue entre la source de rayonnement 28 est l'espace à échantillons 26. Cette structure plus simple a certes l'avantage que l'effort de montage pour l'orientation exacte de l'ouverture d'entrée 32 par rapport à la source de rayonnement 28 n'est plus nécessaire. Mais en se passant de l'ouverture d'entrée 32, il n'est pas toujours assuré que la lumière de la source de rayonnement 28 pénètre toujours exactement au même endroit dans le spectromètre. -15- La figure 9 montre à cet effet à titre d'exemple la trajectoire des rayons d'une longueur d'onde dans une première mesure (lignes continues), et dans une deuxième mesure (ligne en pointillés). Il est clairement visible que lors de la deuxième mesure, le point d'incidence sur le capteur du détecteur 52 est décalé par rapport à la première mesure. En raison du « saut » de l'arc électrique de la source de rayonnement 28, le spectre saisi par le capteur du détecteur 52 se décale globalement. Il est décrit dans ce qui suit comment l'ouverture d'entrée 32 manquante et son orientation sont « remplacées » par un procédé mathématique.

Comme décrit ci-dessus, lorsqu'une lampe à arc au xénon est utilisée comme source de rayonnement 28, son arc éclair (arc électrique) sert quasiment de fente d'entrée de la structure spectrométrique, ce qui est brièvement expliqué. Un grand nombre de sources de rayonnement émet un spectre caractéristique avec des maxima à des longueurs d'onde connues et exactement définies. Ces maxima caractéristiques peuvent également être utilisés pour l'étalonnage initial du spectromètre. Le capteur du détecteur 52 sur lequel se trouvent par exemple 3600 pixels, peut uniquement détecter la luminosité de chaque pixel individuel et est en soi « daltonien ». Seulement l'association des pixels individuels à une longueur d'onde définie respective permet la mesure de la luminosité dans différentes plages de longueurs d'onde. L'étalonnage initial est effectué par l'association d'un maximum caractéristique à un pixel du capteur. L'ensemble des autres pixels est associé de manière fixe aux longueurs d'onde correspondantes sur la base de ce « pixel d'étalonnage ». Un spectromètre étalonné est ainsi réalisé.

Etant donné que l'arc électrique dans la source de rayonnement 28 n'est pas stationnaire, le spectre saisi saute aussi sur le capteur de manière correspondante. Plus précisément, le spectre se décale de mesure en mesure de plusieurs pixels sur le capteur en raison des variations de position de l'arc. Par conséquent, l'association des longueurs d'onde aux pixels diffère légèrement de l'étalonnage réel. Chaque mesure peut de manière idéale être étalonnée ou corrigée au moyen d'une zone caractéristique choisie (fenêtre d'évaluation). Un simple calcul de la moyenne par addition mène cependant à des pertes de détails ou à une résolution dégradée : le spectre est « maculé ». -16- Le problème est représenté schématiquement à la figure 10. La ligne en pointillés correspond à la première mesure d'une série de mesures (original). La ligne en tirets correspond à la mesure suivante (décalée). La simple addition des mesures mène à la valeur moyenne représentée en tant que ligne continue (moyenne). Des informations importantes de la série de mesures sont ainsi perdues, et la résolution du spectromètre se dégrade. La figure 11 montre trois mesures réelles avec des lignes différentes (continue, en pointillé, en tirets) dans un diagramme. La fenêtre d'évaluation se trouve dans une zone dans laquelle un pic caractéristique du spectre facilement identifiable doit se trouver - malgré un éventuel décalage. Le problème décrit ci-dessus est résolu en considérant les mesures les unes par rapport aux autres et en calculant leur moyenne en tenant compte du décalage dans le cadre de l'évaluation. Le décalage peut par exemple être calculé au moyen de la position du maximum. Un axe de longueur d'onde corrigé est alors déterminé pour chaque spectre, et le spectre respectif est additionné uniquement après l'adaptation. Le résultat amélioré de cette méthode est montré à la figure 12, laquelle représente la moyenne d'un spectre, une fois sans tenir compte du décalage, donc sans correction de l'axe des y (non décalé au niveau des pixels), avec une ligne en tirets, et une fois en tenant compte du décalage, donc avec un axe des y corrigé (décalé au niveau des pixels). Dans ce qui suit, le cours de la correction mathématique est esquissé. La réception d'un spectre inclut la recherche du point caractéristique à l'intérieur de la fenêtre d'évaluation déterminée dans laquelle une zone caractéristique du spectre de la source de rayonnement 28 se trouve avec certitude. Comme indiqué à la figure 10, la fenêtre d'évaluation est définie par une extension dans le sens des x et par une extension dans le sens des y. L'extension dans le sens des x correspond à une zone de longueurs d'onde ou de pixels, tandis que l'extension dans le sens des y (intensité) sert à l'identification sûre d'un endroit caractéristique. La valeur maximale - à l'intérieur de tolérances - est connue. La fenêtre d'évaluation augmente globalement la fiabilité d'une mesure. Elle est choisie de telle sorte que le point caractéristique survient toujours dans cette -17- zone et est univoquement identifiable. La position du premier point caractéristique est mémorisée en tant que référence pour une série de mesures. Ensuite, d'autres spectres sont reçus, le point caractéristique étant respectivement recherché. L'écart entre le point caractéristique actuellement déterminé et la référence de la série de mesures est calculé. Les spectres décalés sont alors additionnés. L'étape suivante est le calcul de la valeur moyenne. Sur cette base, les pixels du capteur sont associés à une longueur d'onde spécifique, et d'autres calculs spécifiques aux applications sont effectués au moyen de la moyenne de la série de mesures. Dans ce qui suit, les particularités du point caractéristique sont de nouveau brièvement expliquées. Il s'agit d'une propriété de la source de rayonnement (pic dans le spectre) qui est indépendante de l'échantillon à examiner. (Dans d'autres utilisations, il serait en principe aussi possible d'utiliser une propriété caractéristique de l'échantillon qui est toujours constante). Le point caractéristique a une probabilité très élevée de se produire (de pratiquement 100 (3/0), quel que soit l'échantillon à examiner. Le point caractéristique représente une position connue à l'intérieur d'une fenêtre d'évaluation définie. -18- Liste des numéros de référence 10 système d'analyse de fluide 12 module électronique 14 écran de visualisation 16 module d'analyse 18 module de capteur 20 bride d'arrêt 22 raccordements électroniques 24a raccordement fluidique 24b raccordement fluidique 26 espace à échantillons 28 source de rayonnement 30 fenêtre d'entrée 32 ouverture d'entrée (première ouverture) 34 fenêtre d'entrée 36a conduite annulaire 36b conduite annulaire 38 boîtier 40a canal d'amenée 40b canal d'évacuation 42 fenêtre de sortie 44 première lentille (lentille collimatrice) 46 ouverture de limitation (deuxième ouverture) -19- 48 élément de diffraction 50 deuxième lentille (lentille de focalisation) 52 détecteur 54 plan de détecteur 56 champ d'image 58 couche 60 composant 62 canal de lumière A axe optique d largeur de la deuxième ouverture RB rayon du champ d'image rp valeur réciproque de la somme de Petzval f distance focale n indice de réfraction À longueur d'onde D diamètre de la première lentille S facteur de netteté

Claims (26)

1. REVENDICATIONS1. Spectromètre, en particulier pour le montage dans un module de capteur (18), comportant une source de rayonnement (28) et les composants suivants qui définissent une trajectoire des rayons ou qui sont agencés le long de la trajectoire des rayons : un espace à échantillons (26) pour un fluide à examiner, une première lentille (44), un élément de diffraction (48), une deuxième lentille (50), et un détecteur (52), une ouverture de limitation (46) pour la limitation du diamètre effectif du faisceau lumineux incident sur l'élément de diffraction (48) étant prévue entre l'espace à échantillon (26) et l'élément de diffraction (48).
2. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur (d) de l'ouverture de limitation (46) est nettement inférieure au diamètre de la première lentille (44).
3. 3. Spectromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur (d) de l'ouverture de limitation (46) est comprise entre 0,1 et 1,5 mm, de préférence entre 0,1 et 1,0 mm.
4. 4. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance focale de la première lentille (44) est dans la plage des centimètres, de préférence entre 3 et 7 cm, et/ou en ce que la distance focale de la deuxième lentille (50) est dans la plage des centimètres, de préférence entre 2 et 5 cm.
5. 5. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un facteur de netteté défini par S = RB / d, avec RB = rayon de champ d'image et d = largeur de l'ouverture de limitation (46), est supérieur à 10 et est de préférence compris entre 30 et 70.-21 -
6. 6. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est agencée entre la première lentille (44) et l'élément de diffraction (48).
7. 7. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est agencée dans un espace de Fourier dans lequel la lumière de la source de rayonnement (28) est collimatée.
8. 8. Spectromètre selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est réalisée par un canal de lumière étroit (62) dans un composant (60) qui sert de préférence aussi d'attache pour la première lentille (44).
9. 9. Spectromètre selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est réalisée dans une couche (58) appliquée sur la face de la première lentille (44), qui est tournée vers l'élément de diffraction (48).
10. 10. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est agencée sur la trajectoire des rayons, directement devant la première lentille (44).
11. 11. Spectromètre selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est réalisée dans une couche (58) appliquée sur la face de la première lentille (44), qui est tournée vers l'espace à échantillons (26).
12. 12. Spectromètre selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'ouverture de limitation (46) est réalisée par une attache entourant directement la première lentille (44).
13. 13. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur (52) est un détecteur linéaire, en particulier un capteur de lignes.
14. 14. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extension maximale de la zone optiquement sensible du détecteur (52) est comprise dans la plage des centimètres, de préférence entre 1 et 4 cm.
15. 15. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace à échantillons (26) présente dans la direction de la trajectoire- 22 - des rayons une longueur de plusieurs centimètres, de préférence de plus de 4 cm.
16. 16. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace à échantillons (26) est relié à un canal d'amenée (40a) et à un canal d'évacuation (40b) qui débouchent dans l'espace à échantillons (26) de préférence par des conduites circulaires (36a, 36b), les conduites circulaires (36a, 36b) étant réalisées dans un boîtier (38) entourant l'espace à échantillons (26).
17. 17. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément de diffraction (48) est réalisé sous forme de grille réflectrice.
18. 18. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de rayonnement (28) est une lampe éclair au xénon.
19. 19. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une ouverture d'entrée (32) supplémentaire est agencée dans la trajectoire des rayons.
20. 20. Spectromètre selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'espace à échantillons (26) est agencé dans la trajectoire des rayons derrière l'ouverture d'entrée (32).
21. 21. Système d'analyse de fluide (10), comportant un spectromètre selon l'une des revendications précédentes.
22. 22. Système d'analyse de fluide (10), comportant un spectromètre selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'aucune ouverture d'entrée (32) n'est prévue entre la source de rayonnement (28) et l'espace à échantillons (26), le système d'analyse de fluide (10) comprenant en outre une unité électronique qui est réalisée de manière à tenir compte d'un décalage des spectres saisis par le détecteur (52) lors de l'évaluation de plusieurs mesures.
23. 23. Système d'analyse de fluide (10) selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'unité électronique est réalisée de telle sorte qu'un étalonnage initial est effectué par une association d'un maximum caractéristique du spectre à un pixel d'un capteur du détecteur (52), et en ce qu'à partir de ce pixel, d'autres- 23 - pixels du capteur sont associés de manière fixe à des longueurs d'onde correspondantes.
24. 24. Système d'analyse de fluide (10) selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'unité électronique est réalisée de telle sorte que chaque mesure est étalonnée ou corrigée individuellement au moyen d'une zone caractéristique choisie du spectre saisi, sous forme de fenêtre d'évaluation qui est définie par une plage de longueurs d'onde ou une plage de pixels du capteur correspondant à la plage de longueurs d'onde, et par une plage d'intensité.
25. 25. Système d'analyse de fluide (10) selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'unité électronique est réalisée de telle sorte qu'un décalage entre différentes mesures est calculé à l'aide de la position d'un maximum du spectre à l'intérieur de la fenêtre d'évaluation, un axe de longueur d'onde corrigé étant déterminé pour chaque spectre saisi, et la moyenne des mesures étant calculée après à cet ajustement.
26. 26. Système d'analyse de fluide (10) selon l'une des revendications 21 à 25, comportant un module de capteur (18) dans lequel est monté au moins un spectromètre selon l'une des revendications 1 à 19, et comportant une unité d'analyse, caractérisé par une bride d'arrêt (20) au moyen de laquelle le module de capteur (18) est apte à être fixé dans l'unité d'analyse en réalisant en même temps des liaisons électriques et fluidiques.