DISPOSITIF INTEGRE POUR LA DETECTION ET L'IDENTIFICATION INSTANTANEES D'UNE ENTITE.
L'invention concerne un dispositif intégré et compact permettant de réaliser l'identification qualitative et quantitative d'une ou d'une pluralité d'entités physico-chimiques comprises dans un fluide, et ce de manière instantanée.
On cherche de plus en plus à pouvoir réaliser une analyse instantanée d'échantillons fluides, liquides ou gazeux, c'est à dire sans traitement physique ou chimique préalable, et sans adjonction d'un quelconque réactif. L'intérêt de disposer d'une telle possibilité se manifeste notamment dans les domaines de la pollution, de la toxicité, bref, dans le domaine de l'environnement, et d'une manière générale dans tous les domaines dans lesquels l'identification d'une entité quelconque induit le déclenchement d'un certain nombres de processus.
Or, on ne dispose actuellement pas de dispositif susceptible d'effectuer cette analyse instantanée et susceptible d'être opérationnelle pour une gamme d'entités suffisamment larges afin d'être réellement utilisable.
Tout au plus dispose-t-on d'une technique mettant en oeuvre un dispositif exploitant une ou deux longueurs d'ondes différentes du spectre d'absorption, pour mesurer la concentration de certaines espèces chimiques (voir par exemple EP-A-0 399 057). Ils conduisent à des résultats peu satisfaisants dans la mesure où le nombre d'entités détectables est réduit, et où les concentrations mesurées sont relativement approximatives. Parallèlement, le matériel mis en oeuvre pour aboutir à ces mesures est lourd et complexe, interdisant toute mesure sur site.
De manière plus conventionnelle, les dispositifs dont on dispose sont constitués par des chaînes de mesure ou des centrales d'acquisition, dans lesquelles chacune des parties a une fonction propre, à savoir détecteur, monochromateur, unité de traitement. En outre, ils imposent tous un traitement préalable du liquide ou fluide à analyser, tel que notamment une séparation, dans laquelle chacune des phases est analysée indépendemment des autres, permettant, après traitement et analyse, la reconstitution en qualité et en concentration du fluide de base ou du fluide brut.
L'objet de l'invention est de proposer un dispositif susceptible de traiter en ligne et en instantané des informations issues de détecteurs multi-longueurs d'ondes, et notamment de fournir outre des indications qualitatives, également la concentration de certains espèces chimiques pré- déterminées, et ce, directement à partir d'un milieu brut, c'est à dire exempt de tout traitement physique et ou chimique préalable, et partant, estimer la qualité d'un échantillon en comparant les informations ainsi recueillies à celles contenues dans une base de données, de telle sorte à constituer un système expert compact et intégré, susceptible d'être utilisé sur site.
Ce dispositif intégré pour réaliser une identification qualitative et quantitative instantanée d'une ou d'une pluralité d'entités physico¬ chimique contenues dans ou sur un échantillon, et susceptibles de restituer un ou plusieurs spectres d'émission, d'absorption ou de réflectance sous l'excitation d'une onde électro-magnétique, se caractérise en ce qu'il comprend au sein d'un boîtier blindé :
- un polychromateur au niveau duquel est acheminé le ou les spectres d'émission, d'absorption ou de réflectance de l'échantillon analysé, et destiné, de manière connue, à décomposer ce ou ces spectres en une suite de signaux optiques de variation discrète de longueur d'ondes,
- un organe de détection des signaux optiques, positionné sur le chemin optique des signaux issus du polychromateur, et destiné à transformer lesdits signaux optiques en signaux analogiques,
- un circuit de transformation couplé audit organe de détection, et destiné à transformer lesdits signaux analogiques en signaux numériques,
- une unité centrale, intégrant dans une mémoire associée une pluralité de spectres types représentatifs d'entités connues et prédéterminées, et destinée à analyser simultnément les spectres numériques ainsi obtenus, et à comparer après décorrélation ces spectres aux spectres stockés dans ladite mémoire, et à déduire de cette comparaison la nature et la concentration de la ou des entités physico¬ chimiques prédéterminées dans l'échantillon.
En d'autres termes, l'invention consiste à utiliser comme source d'information les spectres d'émission, d'absorption ou de réflexion du milieu ou d'un échantillon du milieu analysé, et à décorréler ces spectres en vue de déterminer les espèces en présence, responsables de la couleur.
Cette analyse spectrale est effectuée instantanément et indépendemment de tout traitement préalable au niveau du milieu étudié, de sorte que l'on peut disposer d'une réponse très rapide, et partant d'utiliser ce dispositif à tout type de systèmes experts. De plus, l'ensemble des constituants de ce boîtier étant intégré au sein d'un boîtier blindé, les analyses effectuées sont exemptes de toutes altérations inhérentes tant aux champs magnétiques, aux champs électriques, qu'aux variations de pression extérieures.
En d'autres termes, l'invention consiste à intégrer au sein d'un même appareil, de forme par ailleurs compacte, différents organes susceptibles d'analyser en totalité un spectre d'absorption ou d'émission, et de déterminer la nature et la quantité respective d'un certain nombre d'entités prédéterminées contenues dans l'échantillon analysé.
Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, le résultat de cette analyse, obtenu directement en clair, provoque l'induction par l'unité centrale du déclenchement automatique de signaux sensoriels ou l'activation d'organes déterminés, moteurs, robots,... De la sorte, de par ce dispositif, il est ainsi possible d'obtenir une analyse en ligne immédiate, et partant d'induire en fonction de cette analyse l'activation de tout organe associé, dans le cadre de la sécurité, de l'alerte, etc..
Avantageusement, le circuit de détection des signaux optiques issus du polychromateur est constitué par une barrette de photodiodes ou par un circuit à transfert de charges (circuit type CCD), ou par tout autre détecteur susceptible de délivrer un signal analogique ou numérique se référant à une longueur d'onde.
En outre, l'acquisition du spectre d'émission, d'absorption ou de réflexion de l'échantillon analysé est constitué, si cet échantillon est liquide, par une cuve de dosage comportant aux moins deux parois parallèles en quartz, transparentes au faisceau excitateur électro¬ magnétique, ces parois pouvant éventuellement être virtuelles et alimentées par des dispositifs à fibres optiques par exemple.
Dans le cadre de l'acquisition d'un spectre d'un échantillon gazeux, la cuve est remplacée par une cuve à réflexions multiples, également transparente au faisceau excitateur.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif comporte également un générateur d'alimentation électrique intégré, constitué par exemple d'une pluralité de cellules photo-électriques, positionnées à l'extérieur du boîtier, de telle sorte à rendre ce dispositif autonome, favorisant ainsi son utilisation sur site.
La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent donnés à titre indicatif et non limitatif à l'appui de la figure unique annexée, correspondant à une représentation schématique du dispositif conforme à l'invention.
Le dispositif conforme à l'invention et schématiquement représenté sur la figure 1 comporte fondamentalement une enceinte ou boîtier (1), comportant une ouverture au niveau de laquelle est acheminé par le biais d'un collimateur (2) et d'un objectif (3), le spectre d'émission ou d'absorption émis par un échantillon liquide ou gazeux. Ce boîtier est blindé, de telle sorte à ce que le volume interne qu'il délimite soit insensible tant aux champs magnétiques et électriques, qu'aux variations de pressions extérieures. En outre, il est également étanche à la lumière, hormis par le biais de l'ouverture qu'il présente, mais également aux liquides. De la sorte, ce dispositif peut parfaitement être utilisé en atmosphère hostile, notamment industrielle ou naturelle, ce que les dispositifs connus à ce jour ne permettait pas d'obtenir.
Ce spectre est acheminé par tout moyen connu, et notamment au moyen d'une fibre optique ou d'une pluralité de fibres optiques. On a représenté par la flèche A, l'arrivée de ce spectre au niveau de l'objectif (3) du collimateur (2).
L'onde électromagnétique supportant ce spectre est ensuite réfléchie par un miroir (4) au niveau d'un polychromateur (5), constitué par exemple par un réseau à champ plan, destiné à diffracter les ondes électro¬ magnétiques qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ces différents faisceaux aboutissent sur une barette linéaire de 512 photo¬ diodes (6), destinées à transformer le signal électromagnétique reçu en un
signal analogique, représentatif de l'intensité lumineuse dudit signal électro-magnétique. De la sorte, la barette de photodiodes (6).. ou tout autre dispositif équivalent restitue un spectre analogique, à partir d'un spectre décomposé par le polychromateur en une suite discrète de longueurs d'onde.
Afin d'être susceptible, lors de l'étape ultérieure, de subir un traitement numérique, notamment au niveau d'une unité centrale de traitement, les signaux analogiques issus de capteurs sont convertis en signaux numériques, au moyen d'un convertisseur analogique/ numérique intégré audit capteur, et par exemple embroché sur celui-ci. De fait, un tel convertisseur peut se présenter sous la forme d'une carte électronique, d'encombrement tout particulièrement réduit. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la barette est remplacée par un dispositif à transfert de charges (CCD), qui de manière connue, transforme directement des signaux électro-magnétiques en signaux numériques. De par l'utilisation d'un tel CCD, il est alors possible d'enregistrer simultanément plusieurs spectres, de telle sorte à permettre de déterminer, à l'aide de fibres optiques, la couleur ou le volume d'un échantillon. Corollairement, il devient alors possible de mesurer en instantané la température en différents points d'un échantillon.
Les signaux numériques ainsi obtenus sont alors traités au niveau d'une unité centrale de traitement (7), typiquement constituée d'une pluralité de cartes électroniques, toujours dans le même but d'aboutir à une compacité optimale du dispositif. Cette unité, intégrée dans l'enceinte (1) du dispositif, comporte une mémoire associée au niveau de laquelle est stockée une pluralité de spectres représentatifs d'entités physiques ou chimiques prédéterminées.
En outre, un logiciel adapté est chargé dans cette unité de traitement (7), et est destiné à comparer le spectre issu du circuit à transfert de charges ou de la barrette de photodiodes, aux différents spectres stockés dans la mé¬ moire associée. Pour ce faire, l'absorbance mesurée pour une longueur d'ondes déterminée est considérée comme étant égale à la somme des absorbances des différentes entités chimiques présentes dans l'échantillon, additionnée d'une contribution du fond spectral provenant des interférences.
Un traitement numérique approprié effectué au niveau de ladite unité de traitement (7), compare les valeurs d'absorbance mesurées pour ladite longueur d'onde déterminée avec celle d'un fichier contenu dans la mémoire associée intégrant les valeurs d'absorbtivité des constituants à doser. Ce calcul conduit à une valeur précise de la concentration du constituant recherché. La cohérence entre la mesure et le modèle est assurée par l'utilisation de systèmes multimodèles, connus en soi, qui ajustent les valeurs mesurées et calculées de l'absorbance.
Parallèlement, de par le mode de connexion utilisé, à savoir branchement direct, tant de l'organe convertisseur analogique/ numéri¬ que sur l'organe détecteur (6), que des cartes constitutives du micro-contro- leur (7) sur le dit organe convertisseur, il est ainsi possible d'accélérer la vitesse d'analyse, et de s'affranchir des éventuelles distorions de signal inhérentes au bruit de fond, et qui viennent parasiter les mesures.
En outre, afin d'optimiser la compacité du dispositif, il est possible de le rendre autonome d'un point de vue énergétique, en lui adjoignant des cellules photo-électriques (8), situées sur l'une des faces de l'enceinte (1), et destinées, de manière connue, à transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique.
En outre, afin de pouvoir disposer immédiatement du résultat de la ou des analyses effectuées sur le site même, il est possible d'adjoindre au dispositif un écran (9), par exemple à cristaux liquides, ainsi qu'un mini¬ clavier (10), tous deux connectés au micro-calculateur (7), ledit clavier permettant l'introduction éventuelle de paramètres au niveau dudit micro-calculateur (7), tenant compte des conditions extérieures ou du milieu analysé.
Selon la phase de l'échantillon analysé, on utilise soit une cuve de dosage comportant au moins deux faces parallèles en quartz, et donc transparentes au faisceau excitateur, du type décrit dans le document FR-A-2 674 959, soit au moyen d'une cuve à réflexions multiples s'il s'agit d'un gaz, cuve comprenant de manière connue une chambre résonnante dans laquelle ledit gaz est soumis à un faisceau incident excitateur, typiquement constitué par un rayonnement ultra-violet ou laser, susceptible de traverser ladite chambre et d'induire la sortie d'un rayonnement correspondant au spectre d'absorption et d'émission du gaz ou de l'air contenu dans ladite chambre.
Dans une application particulière de l'invention, on peut procéder à une analyse in situ au moyen d'un faisceau laser fortement collimaté, et ce dans le cadre de contrôles de pollution de l'air ambiant, notamment en milieu industriel ou urbain.
Une première application de ce dispositif consiste à opérer un dosage instantané d'espèces chimiques définies, telles que notamment des nitrates, phénol, chrome hexavalent, métaux - tel que le fer, le cuivre, le manganèse, le plomb, le zinc, le cadmium - produits organiques, chlorures, borates, phosphates, amonium, etc.... et ce dans un échantillon liquide.
Cette application s'inscrit dans le cadre de recherches et de détermination des paramètres globaux de pollution, mais également d'analyse de toxicité de milieux liquides, notamment de mesure de potabilité de l'eau. De fait, outre la recherche des entités du type de celles précédemment énoncés, on mesure sur des échantillons d'eau brute, les valeurs du Carbone Organique Total, ou d'autres concepts, tels que la Demande Chimique en Oxygène, bien connue dans le domaine de la pollution, des matières oxydables, et dans certaines conditions de la Demande Biologique en Oxygène.
A partir de ces données, le dispositif conforme à l'invention fournit un indice de qualité biologique, dont le résultat est obtenu directement, soit en clair au niveau de l'écran (9) associé à ladite unité centrale, soit sous forme de signaux numériques ou analogiques, susceptibles d'activer un déclenchement d'autres signaux sensoriels, lumineux ou sonores par exemple, soit encore l'activation d'organes particuliers. Dans ce dernier cas, on associe au dispositif une commande automatique de procédés industriels, dans lequel le dispositif précédent s'intègre dans les circuits commandant la fabrication de produits divers, notamment de produits chimiques.
Ces mesures optiques peuvent en outre être complétées par l'adjonction par l'utilisateur ou collectées par l'ordinateur interne de données extérieures, telles que notamment celles provenant de capteurs de mesure de débit et de données physiques ou physico-chimiques comme le pH, le rH (potentiel Redox), la température, la conductivité, la quantité d'oxygène dissout, la turbidité, afin ainsi de constituer un "toximètre" automatique, c'est à dire un dispositif susceptible de mesurer automatiquement et instantanément la toxicité d'un milieu donné et notamment de l'eau.
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Bien entendu, le dispositif de l'invention peut être couplé à un réseau de contrôle réalisé à partir d'une série de capteurs transmettant par téléphone, ondes radio ou voire par satellite les données recueillies sur les sites de contrôle, de sorte à pouvoir suivre en permanence la qualité d'une production industrielle, ou la qualité des eaux naturelles sur un bassin versant, voire le degré de pollution de l'air d'un site industriel ou d'une agglomération.
En ajoutant une chaîne de mesures physico-chimiques à la station intégrée précédente, on aboutit à un nouvel appareil dans lequel il est possible, en introduisant une banque de données de spectres se référant à des scénarios identiques de pollution accidentelle, de classer en temps réel les eaux en fonction de leur degré de qualité ou de toxicité, compte tenu de l'analyse effectuée instantanément sans nécessiter de traitement physico-chimique préalable, tel qu'un décantation.
Cette application peut également être affectée à la détermination de la qualité de l'air ambiant, notamment dans les locaux industriels.
En d'autres termes, on réalise une station d'alerte, susceptible d'activer tout déclenchement d'alerte sonore ou visuelle, lorsqu'un certain seuil est dépassé ou d'induire l'activation d'organes moteurs, dans le cas d'espèce la fermeture de vannes, l'arrêt des pompes pour le réseau d'alimentation en eau potable, ou le lancement de programmes pré- établis d'alerte.
De la même manière, couplé avec un dispositif de commande de l'alimentation en air atmosphérique d'un bassin de traitement biologique, il est possible en déterminant la DCO rentrante et les paramètres physico-chimiques, de commander intégralement une station de traitement des eaux usées et partant, de réduire sensiblement les coûts
de fonctionnement et d'entretien d'une telle installation. Il est en outre possible de conférer au dispositif la capacité de détermination de la bio- dégradabilité d'une eau, et partant, de prévoir le fonctionnement de ladite station.
Dans une toute autre application, il est connu que la couleur de la flamme d'une torche à plasma varie en fonction des métaux qu'elle rencontre. De fait et en analysant cette couleur par le dispositif de l'invention, il est possible de piloter en temps réel l'installation d'usinage. En effet, de manière connue, la couleur observée dépend directement des longueurs d'onde du spectres d'absorption ou d'émission correspondant. Dans ce domaine, le dispositif peut analyser de manière instantanée le spectre d'émission plasma.
Outre ces différentes applications, le dispositif de l'invention peut également être utilisé en temps que spectrophotomètre de laboratoire, notamment dans le cadre d'anaylses en chromatographie en phase liquide haute pression, mais également lors de la mesure de cinétique de réaction, en spectroscopie RAMAN et infrarouge, à des mesures de température de flammes ou de solides.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ce dispositif peut être utilisé pour la détection et l'identification optique d'une entité et notamment dans le cadre d'identification et de reconnaissance de pièces. Ces pièces reçoivent avantageusement un identificateur, constitué par exemple d'une pastille de quelques millimètres carrés, de forme quelconque, mais dont la couleur est spécifique et définie par sa longueur d'ondes. De fait, cette pastille présente un spectre d'absorption et d'émission typique et unique, du fait de l'unicité du spectre multi- longueurs d'onde correspondant à la couleur associée. Un code couleur peut alors être édité, et sert d'identificateur.
Dans d'autres applications particulières, l'application d'une pastille sur l'objet identifié peut être évitée, l'identificateur étant constitué par l'objet ou l'entité elle-même, dans la mesure où le spectre d'absorption ou d'émission lié à sa couleur a préalablement été réalisé et répertorié. Typiquement, cette pastille peut être collée ou fixée par tout moyen approprié sur l'objet à reconnaître.
Néanmoins, celle-ci peut être imprimée lors de la réalisation d'emballages, voire introduite dans l'entité même, par exemple lorsque celle-ci est réalisée au moyen d'une substance transparente telle que le verre, les matières plastiques, les films,....
Comme déjà dit, cette pastille est recouverte de manière uniforme de la couleur correspondant à une longueur d'onde déterminée, autrement dit un pentome.
Le dispositif conforme à l'invention vise tout d'abord à capter le spectre d'émission ou d'absorption de ce pentome, et ce au moyen d'un lecteur optique, constitué par exemple d'un crayon. Ce dernier est équipé d'un guide d'ondes, typiquement constitué de fibres optiques, permettant d'une part, l'éclairage de l'identificateur par acheminement d'un faisceau lumineux polychromatique à partir d'une source contenue dans ledit crayon, typiquement de la lumière blanche, et d'autre part, l'achemine¬ ment des ondes réfléchies ou transmises par l'identificateur au niveau d'un réseau à champ plan, destiné, comme déjà précisé, à diffracter les ondes qui lui parviennent selon une pluralité de faisceaux monochromatiques de longueur d'onde fonction de l'angle de diffraction. Ce réseau est intégré dans le dispositif de détection et d'identification décrit précédemment en liaison avec la figure 1.
Une fois le spectre reconnu, le micro-ordinateur délivre un code ou une référence unique, correspondant rigoureusement aux longueurs d'onde de la couleur de la pastille. Ce code ou cette référence peut être restitué de multiple façons, et par exemple sous forme visuelle, graphique sur un écran, ou simplement sous forme analogique ou numérique afin d'être transmise à d'autres organes, ou dispositifs susceptibles d'effectuer des opérations déterminées dès lors que ce code particulier leur parvient. On observe de la sorte, qu'à un ensemble de longueurs d'onde défini correspond un code unique. On peut donc appliquer ce procédé à de nombreuses utilisations et ce dans différents domaines, en particulier à la mesure directe du pH d'une solution colorée.
Il peut être notamment être utilisé dans des chaînes de fabrication afin d'identifier des séries d'objets colorés sans manipulation supplémentaire. En outre, il peut être utilisé pour l'identification ou le contrôle des peintures, pigments, et tous liquides colorés. En corollaire de ces deux applications, ce procédé peut être appliqué à la vision en "couleur" des robots, qui peuvent ainsi obtenir des informations supplémentaires sur des tests ou des prises de décision, réduisant d'autant l'intervention humaine.
On conçoit donc que le dispositif de l'invention permet de disposer d'un scanneur optique intelligent, dans la mesure où il est susceptible de traiter en ligne et en instantanné les informations issues d'un détecteur multi longueurs d'onde, captant des spectres électro-magnétiques émis par toutes entités. Il constitue donc la base d'un système expert, utilisable dans de très nombreux domaines.