WO2010072362A1 - Guide d'onde perfectionné et spectromètre associé embarqué dans un véhicule automobile - Google Patents

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WO2010072362A1
WO2010072362A1 PCT/EP2009/008998 EP2009008998W WO2010072362A1 WO 2010072362 A1 WO2010072362 A1 WO 2010072362A1 EP 2009008998 W EP2009008998 W EP 2009008998W WO 2010072362 A1 WO2010072362 A1 WO 2010072362A1
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spectrometer
light source
measuring
volume
waveguide
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PCT/EP2009/008998
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Benjamin L'Hénoret
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Continental Automotive France
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the field of automotive electronics on motor vehicles. It relates more particularly to optoelectronic equipment. More specifically, it relates to spectrometry suitable for determining the composition of a fluid.
  • the competition between the various car designers leads to a constantly renewed search for better performance, mileage consumption and ecological qualities.
  • fuel composition has a direct • impact on engine performance. Therefore, the precise knowledge of this composition of the fuel allows to play on certain operating parameters of the engine to improve combustion and reduce pollution of the vehicle.
  • this knowledge can also make it possible to detect false manipulations (filling a fuel tank with diesel or conversely) potentially damaging to the engine, and to alert the driver, or even to block the ignition (for a internal combustion engine driven) to avoid irreparable damage. It is also possible to detect a fuel that does not comply with legal quality standards.
  • One of the ways to achieve this compositional analysis of a fluid is to use spectrometer technology.
  • a spectrometer is a measuring instrument intended to determine the absorption of certain wavelengths of the spectrum (light in general) by a sample to be analyzed.
  • the absorbed wavelengths form peaks in the absorption spectrum, and characterize certain molecules or components present in said sample.
  • an optical spectrometer therefore consists mainly of a light source, an optical assembly for shaping the light beam into a parallel beam capable of passing through the sample, a wavelength filter for enabling measurement in a certain wavelength range, and a light detector which measures the light intensity received in that wavelength.
  • UV ultraviolet
  • IR near-infrared
  • LEDs Light Source Light emitting diodes
  • light emitting diodes are well known components, very reliable and very low cost because used in very large volume for a multitude of applications. Moreover, they are now available in many wavelength versions, allowing their use in a spectrum range from 300 nm (near ultraviolet) to 2500 nm (near infrared).
  • the emission spectrum and optical power characteristics of the light-emitting diodes can vary significantly depending on the current flowing through them and the ambient temperature at which they are used.
  • the interpretation of the absorption measurement requires knowing precisely the intensity at a given wavelength of the light wave sent through the sample analyzed.
  • a spectrometer 10 comprises, as illustrated in FIG. 1: at least one light source 2, means 100 for shaping at least one incident optical beam from the at least one light source 2, a measuring cell 4, a measuring detector 5 placed on an optical path of a measuring optical beam 22, said measuring optical beam 22 meeting the measuring cell 4, means self-calibration system to take into account the possible drift of the light source 2, due to environmental conditions or use, regardless of the presence or absence of a fluid to be analyzed in the measuring cell 4, said self-calibration means comprising: means 200 for creating a reference optical beam 23, said reference optical beam 23 coming from the light source 2 and not meeting the measuring cell 4, and a reference detector 6 placed on an optical path of the reference optical beam 23.
  • the formatting means 100 are for example a lens system or mirrors.
  • the optical power of a lens is characterized by the shape of its surfaces, its dimensions, the material that constitutes it and the difference in refractive index between the material constituting the lens and the medium in which the lens is immersed. (Snell's law). Generally, the lenses are used in the air, medium having a refractive index close to 1.
  • the optical power of a mirror is characterized, for its part, essentially by the shape of its surface.
  • the moisture present in the air condenses on the surfaces of the optical components of the spectrometer, which causes significant disturbances.
  • the deposition of fine drops on the surfaces of the optical components leads to a modification of their optical powers (the water is a refractive index medium of 1.33), thus compromising the shaping of the light rays. and then degrading the qualities of the spectrometer.
  • the spectrometer being intended, among other things, to measure the water content in a fluid (in a fuel for example), the introduction of water drops in the optical measurement path leads to introduce an error in the measurement of the water content in the fluid.
  • a first solution consists in operating the optical components under vacuum or in an inert gas. This solution requires the use of an enclosure ensuring confinement of an atmosphere or a vacuum holding clean to ensure a seal. This solution is however unsuitable (mainly in terms of manufacturing cost), for use in automotive environments.
  • Another solution is to potting the optical components, for example in a silicone or epoxy resin, transparent to the wavelengths used by the spectrometer.
  • the refractive index of the materials used for this potting is dependent on the pressure and the tensions created during the polymerization of the resin and this solution would cause non-easily controllable variations, thus compromising the shaping of the rays.
  • the known solutions are therefore unsuitable for use of this technology in the context of embedded automotive applications, such as measuring the chemical composition of a fuel or its properties.
  • the object of the invention is therefore to propose a spectrometer concept that satisfies size, reliability and performance constraints compatible with automobile-type applications.
  • a second object of the invention is to allow an inexpensive embodiment making its use realistic.
  • a third aim is to propose an onboard spectrometer that can be used for several applications with different fluids, without any material modification.
  • the subject of the present invention is a device for measuring a spectrum of a light beam in a wavelength range previously chosen (this type of measurement device being commonly called a spectrometer), said spectrum being generated by a fluid to be analyzed.
  • the spectrometer comprises:
  • a measuring cell comprising the fluid to be analyzed
  • a measurement detector placed on an optical path traversed by an optical measuring beam, said measurement beam coming from the light source and meeting the measuring cell, and
  • a reference detector placed on an optical path traversed by a reference optical beam, said reference beam coming from the light source and not meeting the measuring cell
  • the spectrometer is embedded in a motor vehicle and further comprises means for shaping an incident optical beam (resulting from the • at least one light source) and separating said optical beam into a beam of measurement and a reference beam.
  • the formatting means being a guide wave.
  • the waveguide includes:
  • a third volume for guiding the reference beam toward the measurement detector, said third volume being plated by a free end to the reference detector.
  • the first volume comprises, at one end, said second end, opposite the first end a so-called reflecting surface, treated at least on a portion of its surface to reflect the incident beam from the light source.
  • the first volume further comprises, substantially at the first end and on either side of the light source, a treated surface for orienting the measuring beam, respectively reference in the second volume, respectively third volume of the guide of 'wave.
  • the waveguide comprises a fourth support volume of the measuring detector, said measurement detector being plated, by means of said fourth volume, to the first wall of the measuring cell.
  • the untreated faces of the waveguide are absorbing or scattering at the wavelengths of the light source.
  • the waveguide is made of a plastic material that passes the spectrum emitted by the light source.
  • the waveguide is made of poly methyl methacrylate (PMMA) or polycarbonate (PC).
  • the waveguide is made by an injection molding method.
  • the waveguide is made of glass that passes the spectrum emitted by the light source.
  • the spectrum emitted by the fluid to be analyzed is an absorption spectrum.
  • the spectrum emitted by the fluid to be analyzed is an emission spectrum.
  • the measurement and reference detectors are each associated with a wavelength filter.
  • the light source is formed of four light-emitting diodes (LEDs) whose emission spectrum covers a range of wavelengths relevant to the fluid to be analyzed, said light-emitting diodes being arranged in squares and the most as close as possible.
  • the light source is an incandescent lamp.
  • the invention also relates to a fuel quality sensor, oil, coolant, or urea, intended to be permanently installed in a vehicle, comprising a spectrometer as exposed.
  • the invention also relates to a method for controlling at least one operating parameter of a vehicle engine, said vehicle being provided with a sensor as described and a control computer connected to said sensor.
  • the method comprises steps of:
  • variable filters for adjusting said filters successively on the different wavelengths forming a series necessary for the determination of the composition of the analyzed fluid, these wavelengths being previously stored in a memory of said computer, for each type of fluid likely to be analyzed by the sensor,
  • the invention also relates to a vehicle implementing a device as described, or a method as described.
  • the detailed description of the invention is made with reference to the figures which represent:
  • FIG. 2 an example of integrating a spectrometer according to the invention into a motor vehicle fuel system
  • FIG. 3 a perspective view of the spectrometer in a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 a schematic representation of a waveguide of FIG. 3 according to section AA,
  • FIG. 5 a schematic representation of a waveguide of FIG. 4 according to section BB,
  • FIG. 6 a schematic functional representation seen from above of a spectrometer for a difficult environment according to one embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a functional diagrammatic representation seen from above of a spectrometer for a harsh environment according to a second embodiment of the invention, in FIG. 8 a perspective view of the waveguide according to the second embodiment. embodiment of the invention,
  • the exemplary embodiment of a device for measuring a spectrum of a light beam according to the invention, said spectrometer 10, is described in the case of an application to a fuel circuit of a motor vehicle for the measuring the quality of the fuel.
  • the invention is also applicable to other circuits of a motor vehicle for example for the measurement of oil, coolant, or urea. More generally, the invention is applicable for fluid quality measurements in harsh environments (temperatures, physical access).
  • the spectrometer 10 is advantageously arranged on a fuel pipe 11, downstream of a tank 12 and a fuel pump 13, also downstream of a fuel filter. 14 (to reduce measurement errors), but upstream of an injection pump 15 and an internal combustion engine 16.
  • the spectrometer 10 is connected to a control computer 17, which is also connected to the injection pump 15 or the engine 16 which it is able to control certain settings.
  • this control computer 17 can be either the engine computer, conventionally present in motor vehicles, or an electronic control unit of the spectrometer, which sends directly to the engine computer the values of the parameters of the analyzed fluid.
  • the spectrometer 10 according to the invention, described with reference to FIG. structured around a measuring cell 4 in which circulates the fluid to be analyzed (arrow F), fuel in our application example.
  • the spectrometer 10 comprises:
  • a light source 2 for generating an incident optical beam coming from the light source 2
  • a waveguide 3 for guiding an incident optical beam coming from the light source 2
  • the measuring cell 4 containing the fluid to be analyzed
  • a measurement detector 5 placed on an optical path traversed by a measuring optical beam 22, said measuring beam 22 coming from the light source 2 and meeting the measuring cell 4, and
  • a reference detector 6 placed on an optical path traversed by a reference optical beam 23, said reference beam 23 coming from the light source 2 and not meeting the measuring cell 4.
  • an orthogonal reference mark XYZ centered on the light source 2 is defined.
  • Z defines a longitudinal axis corresponding to the direction of flow of the fluid in the measuring cell 4, and Y a transverse axis normal to walls. 41, 44 of the measuring cell 4, and X an axis orthogonal to the other two axes.
  • the light source 2, whose emission spectrum corresponds to the wavelength range relevant for the fluid to be analyzed, comprises at least one light-emitting diode.
  • the light source 2 is formed of four electroluminescent diodes arranged in a square and as close as possible, on the same support in the XY plane, so as to minimize the measurement offsets related to the distance between the four light-emitting diodes.
  • the light source 2 emits in the direction of positive Zs.
  • the emission peaks of the light-emitting diodes are located respectively around 810 nm, 875 nm, 935 nm and 1020 nm.
  • the light source has a dimension of 0.3 x 0.3 mm, with a gap of 0.1 mm between two adjacent light emitting diodes.
  • the waveguide 3 ensures the shaping of the incident optical beam coming from the light source 2. On the other hand, it separates the incident beam into two beams, so as to create a first beam, the • reference beam 23 which is directed towards the reference detector 6, and a second beam, the measuring beam 22 which is directed towards the measurement detector 5.
  • the waveguide 3 is made of a plastic material, such as poly methyl methacrylate (PMMA) or polycarbonate (PC). It may alternatively be made of molded glass by known techniques.
  • PMMA poly methyl methacrylate
  • PC polycarbonate
  • the waveguide 3 is produced by a molding method by injection, making it possible to produce pieces of complex shape at a reasonable cost.
  • the waveguide 3 consists of a single block decomposed in three volumes to enable the return of the incident beam to either the reference detector 6 or to the measurement detector 5:
  • a second volume 32 transverse, extending mainly along the direction of positive Y
  • a third volume 33 also transverse, extending mainly in the direction of Y negative.
  • the first volume 31 of the waveguide 3 is larger in size and makes it possible to shape the incident beam.
  • it is intended to collimate and separate the incident beam into two substantially parallel and identical beams.
  • the first volume 31 is symmetrical in the XZ and YZ planes and has a thickness e, along the X axis, a height H, along the Z axis and a length L, along the Y axis, as illustrated in FIGS. and 5.
  • the height H is equal to 30 mm
  • the length L is equal to 15 mm
  • the thickness e is equal to 15 mm.
  • the second volume 32 respectively the third volume 33, has a thickness identical to that of the first volume and a height h sufficient for the passage of the measuring beam 22, respectively of reference 23, of the order of 2 mm.
  • the length L 3 of the third volume 33 is adjustable depending on the desired placement of the reference detector 23.
  • L 3 is between 5 and 15 mm
  • the light source 2 is advantageously plated, preferably glued, on an outer face 314 of a first end 31 1 of the first volume 31 and emits in the direction of positive Z.
  • the reference detector 6 is advantageously plated, preferably glued, on an outer face 332 of a free end 331 of the third volume 33
  • the plating (or gluing) of the optical components on the waveguide advantageously makes it possible to overcome the problem of condensation that may appear on the surfaces of the optical components during a significant variation in temperature in the external environment of the spectrometer.
  • the first volume 31 comprises at a second end 312, opposite to the first end 31 1, a concave spherical face 313 of radius R in the plane YZ and of radius R 'in the plane XZ.
  • the face 313 is treated to reflect the incident beam of the light source 2. In the following description, the face 313 is said reflective inner face.
  • the radii R and R 'of the reflecting face 313 are chosen as a function of the height H, the length L and the thickness, e such that the beams reflected by said face 313 are parallel to the axis Z.
  • the radius R is equal to 61.65 mm and the radius R 'is equal to 61.65 mm (the surface of the reflecting face 313 is a sphere sector in the present example) .
  • the ray is located on the Z axis, just above the center of the light source (just above the center of the four diodes in the illustrated embodiment).
  • the length L of the first volume 31 is 30 mm for a radius R of the spherical surface of 61.65 mm.
  • the incident beam not collimated, from the light source 2
  • the reflecting face 313 which collimates it and separates it into two distinct reflected beams, the reference beam 23 and the measurement beam 22, both parallel to the Z axis and in the direction of the negative Zs.
  • the first volume 31 comprises, substantially at the first end 311 and on either side of the light source 2, a face 3112, 3113 treated to reflect the reflected beam 22, 23 by the inner face 313.
  • the faces 3112 , 31 13 are for example covered with a layer of a reflective substance at the wavelengths of said light source.
  • the two faces 3112, 3113 are oriented at 90 ° to one another.
  • a first face 3113 makes it possible to orient the reference beam 23 in the third volume 33, the other face 3112 makes it possible to orient the measurement beam 22 in the second volume 32.
  • the faces 3113 and 3112 can also operate by total reflection between the plastic and the air (45 ° angle of incidence). The problem is that this total reflection can be disturbed by condensation. This is why the preferred embodiment is to cover these faces with a reflective substance (for example gold).
  • the two faces 31 12, 3113 are formed of flat surfaces, over the entire thickness of the waveguide 3, oriented for the first face at 45 ° in the YZ plane and for the second face at 135 ° in the same plane. They are spaced apart by a cavity 3114 allowing the passage of the incident beam in the first volume 31 of the waveguide 3.
  • the face 3112 is dimensioned to return the measurement beam 22, respectively the reference beam 23, to the the measuring detector 5, respectively the reference detector 6.
  • the reflective nature of the faces 313, 3112 and 3113 is obtained by polishing and metallization of said three faces (for example by chromium), by means known to those skilled in the art.
  • the inner faces of the waveguide 3 which are not polished and or metallized are optically absorbing (or diffusing) at the wavelengths of the light source 2, for example by applying a layer of black paint.
  • the outer faces of the waveguide 3 which are not polished and or metallized are optically opaque to the light beams located in the external environment. This arrangement is nevertheless not necessary if the spectrometer 10 is disposed in an opaque (eg black) housing, which does not allow outside light to enter the waveguide.
  • the waveguide 3 is plated, preferably glued, by the free end 321 of the external face 322 of the second volume 32, to a first pane of the wall 41 of the measuring cell 4.
  • the measuring detector 5 is plated, preferably glued, to a second pane 43 of the wall 44 of the measuring cell 4.
  • the measurement detector 5 is independent of the waveguide 3.
  • the measuring cell 4 is here represented in the form of a tube segment of rectangular section, provided with two parallel panes 42, 43, facing each other on two opposite walls 41, 44 of the measuring cell 4.
  • the two panes 42, 43 may be made for example of glass or plastic material, their material to be chemically neutral vis-à-vis the analyzed fluid, non-deformable depending on the temperature, and transparent in the wavelength range used for the measurement (here the near infrared, but ranges of wavelengths in UV / visible are also usable, without modification of the spectrometer described).
  • the measuring cell 4 is made of metal or rigid plastic, so that the distance between the two panes remains substantially unchanged as a function of temperature, in order to avoid disturbing the measurement.
  • the fixing of the windows 42, 43 in the walls 41, 44 of the measuring cell 4 is made by gluing or any other known means.
  • the measuring cell 4 is connected at its two open ends (not shown), by means known to those skilled in the art, to a pre-existing fuel circulation tube 1 1 in the vehicle.
  • the measuring beam 22 at the output of the waveguide 3 thus crosses the first pane 42, a thickness of fluid to be analyzed equal to a width of the measuring cell 4 along the axis transverse Y, then the second pane 43 of the measuring cell 4.
  • certain wavelengths of the emission spectrum of the light source 2 are attenuated due to the absorption of the photons of these lengths of light. waves by molecules present in the fluid.
  • the reference beam 23, at the output of the third volume 33 of the waveguide 3, is picked up by the reference sensor 6.
  • the measurement detector 5 and / or reference detector 6 is of pyroelectric type associated with a variable filter, such as for example a Fabry-Pérot interferometric cavity.
  • the Fabry-Perot cavity is made of MEMS (acronym for "Micro Electronic Mechanical Systems") and its cavity width can be controlled electronically (which allows to choose the wavelength that passes through the cavity).
  • the measurement detector 5 and or reference 6 is a so-called CCD (Charged Couples Device) matrix or a matrix called CMOS (acronym "Complementary Metal Oxide Semi-conductor” ) associated with one or more optical filters of variable or discrete linear type The filter then makes it possible to measure a large number of wavelengths in the wavelength range considered (from 800 to 1250 nm).
  • CCD Charge Couples Device
  • CMOS complementary Metal Oxide Semi-conductor
  • the measurement detector 5 is situated on the same side as the waveguide 3 and is attached to said waveguide by means of a fourth volume 34, attached to the second volume 32 in the direction of the positive X's.
  • the fourth volume 34 is a support volume of the measuring detector 5. It is plated, preferably glued, on a first face 341, to the second pane 43 of the measuring cell 4.
  • the measuring detector 5 is for its part plated, preferably bonded, on a second face 342, opposite to the first face 341, of the fourth volume 34.
  • the measuring cell 4 is always represented in the form of a section tube segment. rectangular. It comprises in this embodiment, on the wall 41, the two windows 42, 43 coplanar, rectangular, and substantially identical dimensions.
  • a light reflection zone comprising two reflecting facets 45, 46, oriented at 90 ° to each other, allows reflection of a light beam entering through the first pane 42 (FIG. in the oriented direction of the positive Y's) towards the second pane 43 (in the oriented direction of the negative Y's).
  • the two reflecting facets 45, 46 are in the present example formed of flat surfaces, first oriented at 45 ° in the XY plane, and for the second at 135 ° in the same plane.
  • the two reflecting facets 45, 46 are sized to return the measurement beam 22 emerging from the first pane 42 to the second pane 43 integrally.
  • Their reflective character is, in the present embodiment, obtained by polishing and local metallization of the surface (for example by chromium) forming the lateral face of the measuring cell 4, this metallization being carried out by means known to the skilled person. art.
  • These facets can also be obtained by gluing mirrors on the faces oriented at 45 ° and 135 °, or by any other suitable means.
  • the attenuated measurement beam 22 is finally captured by the measuring detector 5 placed on the optical path of the measuring beam 22.
  • the reference beam 23, for its part, is picked up at the output of the third volume 33 of the waveguide 3 by the reference sensor 6.
  • the measuring and reference detectors 6 and 6 are identical to those of the embodiment previously described.
  • the spherical face 313 of the first volume 31 of the waveguide 3 is not metallized over the entire length L but has an absorbent zone at the wavelengths of the light source 2. Said zone, of thickness e, symmetrical with respect to the Z axis and centered on the Z axis, is neither polished nor metallized.
  • the first volume 31 is truncated in the plane XZ, at the second end 312 and symmetrically with respect to the axis Z, by a substantially shaped slit
  • the first volume 31 has in the YZ plane a substantially M ( Figure 9b).
  • the two faces 313a, 313b facing the light source are polished and metallized. Note that this V-shaped slot has no optical functionality. It is used to optimize the volume and thus the production cost of the part.
  • a computer 17 associated with the spectrometer 10 when a computer 17 associated with the spectrometer 10 has been initialized for a type of fluid to be analyzed (selection of the wavelengths to be observed), said computer 17 causes the illumination of the light source 2 at regular intervals of which the spacing was previously chosen.
  • the computer 17 controls, when the spectrometer 10 is equipped with variable filters, means for varying the value of the variable filter to adjust said filters successively on the different wavelengths forming a series necessary for the determination of the composition of the analyzed fluid, these wavelengths being previously stored in a memory of said computer 17.
  • the measurement detector 5 For each selected wavelength, the measurement detector 5 provides a measurement characterizing the light intensity received in this wavelength.
  • the spectrometer 10 thus provides the calculator 17 with regular measurements of the absorption spectrum of the fluid to be analyzed.
  • the reference detector 6 provides, for the same wavelengths, a characteristic measurement of the received light intensity for each wavelength.
  • the computer 17 compares the measurement and reference values and deduces the absorption due to the sample contained in the measurement cell 4.
  • the computer 17 determines, at regular intervals, changes in the operating parameters of the engine 16. For example: compliance with the fuel adapted to the operation of the engine, setting the ignition timing, setting the injection etc.
  • the processing of the signal from the spectrometer 10 according to the invention is beyond the scope of the present invention, and is therefore not detailed further here.
  • the spectrometer 10 as described is a reliable system, using simple and robust components, capable of taking into account aging drifts, and can therefore be used in a difficult environment such as the automotive environment.
  • a waveguide 3 advantageously makes it possible to replace the collimation lens and the beam splitter of a conventional spectrometer, to reduce the mechanical tolerances since there is only one single piece, the waveguide 3 and to overcome the problems of condensation on the surface of the optical components at no extra cost.
  • the measurement carried out is almost continuous, which makes it possible to adapt the system to various problems (fuel, oil, urea, etc.) for which the intervals between desired measurements are shorter or longer.
  • the use of a reference optical path makes it possible to take account of a significant drift of the light sources (for example light-emitting diodes). It is therefore possible to envisage a use of the spectrometer 10 over a wide temperature range (typically over the range corresponding to the automobile domain: -40 ° C. to + 105 ° C.).
  • the spectrometer 10 thanks to its optical reference path, also allows self-calibration (measured measurements with off light and maximum light characterize the electronic noise of the detectors), without emptying the measuring cell, which is essential for a simple measurement in an environment such as a fuel tank or a motor vehicle piping. This self-calibration is also possible at intervals as close as necessary, in order to take account of the aging of the components of the spectrometer 10.
  • the concept described is particularly economical for industrial mass production, in the case where the measurement is made over more than five wavelengths, which is the case for measurements of fuel parameters or for a measurement of fuel parameters.
  • versatile device adapted to various fluids to be analyzed, then having to accommodate absorption measurements for several tens of wavelengths.
  • a configuration comprising five light-emitting diodes of different wavelengths, each exactly adapted to a measurement wavelength, and used together as light source 2, offers a less expensive device (due to the removal of the wavelength filter associated with each detector).
  • the measuring cell 4 has a cylindrical section.
  • the measuring principle remains unchanged, since the geometry of the measuring cell 4 is precisely known. More generally, any geometry of the measuring cell 4 is acceptable, insofar as it is possible to calibrate the spectrometer 10.
  • the light source 2 may consist of a single light-emitting diode of broad emission spectrum, or a larger number, if the emission characteristics of the light-emitting diodes and the desired emission spectrum reflect this. require. These light-emitting diodes, whose combined power does not exceed a few tenths of a watt, are supplied with energy by means known and not detailed here.
  • the exemplary embodiment is described for a light source 2 comprising light-emitting diodes. It is clear that other diodes, alone or in combination, may be used, either depending on the evolution of the technique with low unit cost but wider spectrum diodes, or for the purpose of creating a spectrum in another wavelength range.
  • the light emitting diodes chosen are commercial products, very low unit cost.
  • An equivalent light source 2 has thus been created, on the basis of existing and very inexpensive components, with the aim of minimizing the overall cost of the spectrometer 10.
  • the light-emitting diodes are known to have a lifetime (duration before the power emitted has been divided by two) by several tens of thousands of hours, which is compatible with the life expectancy of an on-board motor vehicle equipment.
  • the present invention remains however usable for all kinds of light sources, for example incandescent lamp etc.
  • the description that has been made deals with a transmission spectrometer, for which the spectrum measured is the spectrum of the light having passed through the fluid.
  • the principle described also applies to a reflection spectrometer, measuring the light reflected by a fluid, without essential modification of the device.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure d'un spectre d'un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d'ondes préalablement choisie, dispositif appelé spectromètre (10), le spectre étant généré par un fluide à analyser, ledit spectromètre comportant : - au moins une source lumineuse (2), - une cellule de mesure (4), comportant le fluide à analyser, - un détecteur de mesure (5), placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de mesure (22), ledit faisceau de mesure (22) étant issu de la source lumineuse (2) et rencontrant la cellule de mesure (4), et - un détecteur de référence (6), placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de référence (23), ledit faisceau de référence (23) étant issu de la source lumineuse (2) et ne rencontrant pas la cellule de mesure (4), caractérisé en ce que le spectromètre (10) est embarqué dans un véhicule automobile et comporte un moyen (3) de mise en forme d'un faisceau optique incident issu de la au moins une source lumineuse (2) et de séparation dudit faisceau optique en un faisceau de mesure (22) et un faisceau de référence (23) sous la forme d'un guide d'onde.

Description

Guide d'onde perfectionné et spectromètre associé embarqué dans un véhicule automobile
La présente invention relève du domaine de l'électronique embarquée sur véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement les équipements optoélectroniques. Plus spécifiquement, elle touche à la spectrométrie adaptée à la détermination de composition d'un fluide. La compétition entre les divers concepteurs d'automobiles entraîne une recherche sans cesse renouvelée de meilleures performances de fonctionnement, de niveau de consommation kilométrique et de qualités écologiques. Dans le domaine des véhicules propulsés par un moteur à combustion interne, la composition du carburant a un • impact direct sur les performances du moteur. Dès lors, la connaissance précise de cette composition du carburant permet de jouer sur certains paramètres de fonctionnement du moteur pour améliorer la combustion et réduire la pollution du véhicule.
Par ailleurs, cette connaissance peut également permettre de détecter de fausses manipulations (remplissage d'un réservoir d'essence avec du gazole ou inversement) potentiellement dommageables pour le moteur, et d'alerter le conducteur, voire de bloquer l'allumage (pour un moteur à combustion interne pilotée) afin d'éviter des dommages irréparables. Il est également possible de détecter un carburant non conforme aux normes de qualité légales.
Des remarques similaires s'appliquent à l'huile moteur, voire au liquide de refroidissement ou à d'autres fluides dont les propriétés influent sur le fonctionnement du véhicule.
L'un des moyens de parvenir à cette analyse de composition d'un fluide est d'utiliser la technologie des spectromètres.
On rappelle qu'un spectromètre est un instrument de mesure destiné à déterminer l'absorption de certaines longueurs d'ondes du spectre (lumineux en général) par un échantillon à analyser. Les longueurs d'ondes absorbées forment des pics dans le spectre d'absorption, et caractérisent certaines molécules ou composants présents dans ledit échantillon.
Tel que défini dans le cadre de la présente invention, un spectromètre optique se compose donc principalement d'une source lumineuse, d'un ensemble optique de mise en forme du faisceau lumineux pour en faire un faisceau parallèle apte à traverser l'échantillon, d'un filtre de longueur d'onde pour permettre la mesure dans un certain domaine de longueurs d'ondes, et d'un détecteur de lumière qui mesure l'intensité lumineuse reçue dans cette longueur d'onde.
Des spectromètres travaillant dans les domaines de longueurs d'ondes lumineuses ultraviolet (U. V.), visible et proche infrarouge (I. R.) sont déjà utilisés de façon quotidienne dans de nombreux domaines.
Tous ces domaines d'application utilisent le même type d'instrument de mesure, dont seules varient les caractéristiques de taille et de portabilité. De tels instruments, utilisant éventuellement différentes technologies (transformée de Fourier, Filtre, monochromateur, réseaux de diffraction, etc.), ne travaillent pas sur une plage de variation de température importante. En effet, pour des raisons liées à la dérive de leurs performances selon la température, ils sont rarement utilisés dans des milieux présentant des variations de températures fortes. C'est là le principal obstacle à leur utilisation dans le domaine automobile qui attend des matériels embarqués d'être efficients entre - 40°C et + 1050C.
Dans une application telle que considérée dans le domaine du contrôle de fluides automobiles, il est de plus nécessaire d'utiliser des composants à très bas coût unitaire et robustes dans le temps, de manière à garantir un fonctionnement fiable et durable. Une des solutions est d'utiliser comme source lumineuse des diodes électroluminescentes (LEDs, acronyme anglais pour "Light Emitting Diodes").
De fait, les diodes électroluminescentes sont des composants bien connus, très fiables et de coût très faible car utilisées en très grand volume pour une multitude d'applications. Elles sont par ailleurs aujourd'hui disponibles dans de nombreuses versions de longueur d'onde, permettant leur utilisation dans un domaine de spectre de 300 nm (proche ultraviolet) à 2500 nm (proche infrarouge).
Néanmoins, les caractéristiques de spectre d'émission et de puissance optique des diodes électroluminescentes peuvent varier de façon importante selon le courant qui les traverse et la température ambiante à laquelle elles sont utilisées. Or l'interprétation de - la mesure d'absorption nécessite de connaître précisément l'intensité à une longueur d'onde donnée de l'onde lumineuse envoyée à travers l'échantillon analysé.
Leur utilisation comme source lumineuse pour la spectroscopie, dans des environnements dont la température peut varier de façon significative (par exemple de - 400C à + 1050C en milieu automobile), demande donc des solutions innovantes afin de compenser la variation naturelle de leurs caractéristiques. Plus généralement, ces remarques concernent toutes les sources lumineuses présentant des variations de performances avec le vieillissement et la température.
On connaît déjà des dispositifs de spectrométrie à bas coût utilisant une technologie à base de diodes électroluminescentes, capables de tenir compte des dérives de la source lumineuse. Par exemple, un spectromètre 10 comporte, comme illustré sur la figure 1 : au moins une source lumineuse 2, des moyens 100 de mise en forme d'au moins un faisceau optique incident issu de la au moins une source lumineuse 2, une cellule de mesure 4, un détecteur de mesure 5 placé sur un chemin optique d'un faisceau optique de mesure 22, ledit faisceau optique de mesure 22 rencontrant la cellule de mesure 4, des moyens d'auto calibration permettant de tenir compte de la dérive éventuelle de la source lumineuse 2, du fait des conditions d'environnement ou d'utilisation, indépendamment de la présence ou de l'absence d'un fluide à analyser dans la cellule de mesure 4, lesdits moyens d'auto calibration comportant : des moyens 200 de créer un faisceau optique de référence 23, ledit faisceau optique de référence 23 étant issu de la source lumineuse 2 et ne rencontrant pas la cellule de mesure 4, et un détecteur de référence 6 placé sur un chemin optique du faisceau optique de référence 23.
Les moyens 100 de mise en forme sont par exemple un système de lentilles ou de miroirs.
Le pouvoir optique d'une lentille est caractérisé par la forme de ses surfaces, par ses dimensions, par le matériau qui la constitue et par la différence d'indice de réfraction entre le matériau constituant la lentille et le milieu dans lequel la lentille est plongée (loi de Snell). Généralement, les lentilles sont utilisées dans l'air, milieu présentant un indice de réfraction proche de 1.
Le pouvoir optique d'un miroir est caractérisé, pour sa part, essentiellement par la forme de sa surface. Lors d'une baisse significative de température, comme c'est fréquemment le cas dans le domaine automobile, l'humidité présente dans l'air se condense sur les surfaces des composants optiques du spectromètre, ce qui entraîne des perturbations non négligeables. D'une part, le dépôt de fines gouttes sur les surfaces des composants optiques entraîne une modification de leurs pouvoirs optiques (l'eau est un milieu d'indice de réfraction de 1 ,33), compromettant ainsi la mise en forme des rayons lumineux et dégradant alors les qualités du spectromètre. D'autre part, le spectromètre étant destiné, entre autre grandeur suivie, à mesurer le taux d'eau dans un fluide (dans un carburant par exemple), l'introduction de gouttes d'eau dans le chemin optique de mesure conduit à introduire une erreur sur la mesure du taux d'eau dans le fluide. L'utilisation de composants optiques au sein du spectromètre dans des environnements dont la température peut varier de façon significative demande donc de ' solutions novatrices afin d'annuler les effets de la condensation ou de l'encrassement. Une première solution consiste à faire fonctionner les composants optiques sous vide ou dans un gaz inerte. Cette solution nécessite d'avoir recours à une enceinte assurant un confinement d'une atmosphère ou un maintien sous vide propre à assurer une étanchéité. Cette solution est cependant inadaptée (principalement en termes de coût de fabrication), à une utilisation dans des environnements automobiles.
Une autre solution consiste à réaliser un empotage des composants optiques, par exemple dans une résine de type silicone ou époxy, transparent aux longueurs d'ondes utilisées par le spectromètre. Cependant, l'indice de réfraction des matériaux utilisés pour cet empotage est dépendant de la pression et des tensions créées lors de la polymérisation de la résine et cette solution entraînerait des variations non aisément contrôlables, compromettant alors la mise en forme des rayons.
Les solutions connues sont donc inadaptées à une utilisation de cette technologie dans le cadre d'applications embarquées sur automobiles, telles que la mesure de la composition chimique d'un carburant ou de ses propriétés. L'invention a donc pour but de proposer un concept de spectromètre répondant à des contraintes de taille, de fiabilité et de performances compatibles avec des applications du type automobile.
Un second but de l'invention est de permettre une réalisation peu coûteuse rendant son utilisation réaliste. Un troisième but est de proposer un spectromètre embarqué utilisable pour plusieurs applications à des fluides différents, sans modification matérielle.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de mesure d'un spectre d'un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d'ondes préalablement choisie (ce type de dispositif de mesure étant appelé couramment spectromètre), ledit spectre étant généré par un fluide à analyser. Le spectromètre comporte :
- au moins une source lumineuse,
- une cellule de mesure, comportant le fluide à analyser,
- un détecteur de mesure, placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de mesure, ledit faisceau de mesure étant issu de la source lumineuse et rencontrant la cellule de mesure, et
- un détecteur de référence, placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de référence, ledit faisceau de référence étant issu de la source lumineuse et ne rencontrant pas la cellule de mesure
Suivant l'invention, le spectromètre est embarqué dans un véhicule automobile et comporte en outre un moyen de mise en forme d'un faisceau optique incident (issu de la • au moins une source lumineuse) et de séparation dudit faisceau optique en un faisceau de mesure et un faisceau de référence. Le moyen de mise en forme étant un guide d'onde.
Le guide d'onde comporte :
- un premier volume pour la mise en forme et la séparation du faisceau incident issu de la source lumineuse, ladite source lumineuse étant plaquée à une première extrémité dudit premier volume,
- un deuxième volume de guidage du faisceau de mesure vers le détecteur de mesure, ledit deuxième volume étant plaqué, par une extrémité libre, à une première paroi de la cellule de mesure,
- un troisième volume de guidage du faisceau de référence vers le détecteur de mesure, ledit troisième volume étant plaqué, par une extrémité libre, au détecteur de référence.
Le premier volume comporte, à une extrémité, dite deuxième extrémité, opposée à la première extrémité une face, dite face réfléchissante, traitée au moins sur une partie de sa surface pour réfléchir le faisceau incident issu de la source lumineuse. Le premier volume comporte en outre, sensiblement au niveau de la première extrémité et de part et d'autre de la source lumineuse, une face traitée pour orienter le faisceau de mesure, respectivement de référence dans le deuxième volume, respectivement troisième volume du guide d'onde.
Le guide d'onde comporte un quatrième volume de support du détecteur de mesure, ledit détecteur de mesure étant plaqué, au moyen dudit quatrième volume, à la première paroi de la cellule de mesure.
De préférence, les faces non traitées du guide d'onde sont absorbantes ou diffusantes aux longueurs d'ondes de la source lumineuse.
Avantageusement, le guide d'onde est réalisé dans une matière plastique qui laisse passer le spectre émis par la source lumineuse. Dans un exemple de réalisation, le guide d'onde est réalisé en poly méthacrylate de méthyle (PMMA) ou en polycarbonate (PC).
Dans un mode de réalisation, le guide d'onde est réalisé par une méthode de moulage par injection. De manière alternative à la matière plastique, le guide d'onde est réalisé en verre qui laisse passer le spectre émis par la source lumineuse.
De préférence, le spectre émis par le fluide à analyser est un spectre d'absorption.
Dans un autre mode de réalisation, le spectre émis par le fluide à analyser est un spectre d'émission.
De préférence, les détecteurs de mesure et de référence sont associés chacun à un filtre de longueur d'onde. Dans un mode de réalisation préféré, la source lumineuse est formée de quatre diodes électroluminescentes (LEDs) dont le spectre d'émission couvre une plage de longueurs d'ondes pertinente pour le fluide à analyser, lesdites diodes électroluminescentes étant disposées en carrés et les plus rapprochées possible. Alternativement, la source lumineuse est une lampe à incandescence.
L'invention concerne aussi un capteur de qualité de carburant, d'huile, de liquide de refroidissement, ou d'urée, destiné à être installé à demeure dans un véhicule, comportant un spectromètre tel qu'exposé.
L'invention concerne également un procédé de pilotage d'au moins un paramètre de fonctionnement d'un moteur de véhicule, ledit véhicule étant doté d'un capteur tel qu'exposé et d'un calculateur de commande relié audit capteur. Le procédé comporte des étapes de :
- sélection du type de fluide à analyser,
- allumage à intervalles réguliers de la source lumineuse, - attente d'un délai adapté à tenir compte de la mise en marche normale de ladite source lumineuse,
- pilotage des filtres variables pour régler lesdits filtres successivement sur les différentes longueurs d'ondes formant une série nécessaire à la détermination de la composition du fluide analysé, ces longueurs d'ondes étant mémorisées préalablement dans une mémoire dudit calculateur, pour chaque type de fluide susceptible d'être analyser par le capteur,
- mesure, pour chaque longueur d'onde sélectionnée, par le détecteur de mesure et par le détecteur de référence de l'intensité lumineuse reçue dans cette longueur d'onde, - transmission à intervalles réguliers au calculateur des mesures du spectre d'absorption du fluide à analyser et des mesures du spectre de référence,
- comparaison par le calculateur des valeurs de mesure et de référence,
- détermination par le calculateur de l'absorption due à l'échantillon contenu dans la cellule de mesure, - détermination, sur la base d'une logique de calcul ou d'un abaque stocké en mémoire, par le calculateur, à intervalles réguliers, des modifications de paramètres de fonctionnement du moteur.
L'invention concerne également un véhicule mettant en œuvre un dispositif tel qu'exposé, ou un procédé tel qu'exposé. La description détaillée de l'invention est faite en référence aux figures qui représentent :
- à la figure 1 , déjà citée, un spectromètre suivant l'art antérieur. - à la figure 2, un exemple d'intégration d'un spectromètre selon l'invention dans un circuit de carburant de véhicule automobile,
- à la figure 3, une vue en perspective du spectromètre dans un premier mode de réalisation de l'invention, - à la figure 4, une représentation schématique d'un guide d'onde de la figure 3 selon la coupe AA,
- à la figure 5, une représentation schématique d'un guide d'onde de la figure 4 selon la coupe BB,
- à la figure 6, une représentation schématique fonctionnelle vue de dessus d'un spectromètre pour environnement difficile suivant un mode de réalisation de l'invention,
- à la figure 7, une représentation schématique fonctionnelle vue de dessus d'un spectromètre pour environnement difficile suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention, - à la figure 8, une vue en perspective du guide d'onde suivant le deuxième mode de réalisation de l'invention,
- aux figures 9a et 9b, différentes vues en perspective d'une variante du guide d'onde suivant le deuxième mode de réalisation de l'invention.
L'exemple de réalisation d'un dispositif de mesure d'un spectre d'un faisceau lumineux suivant l'invention, dit spectromètre 10, est décrit dans le cas d'une application à un circuit de carburant d'un véhicule automobile pour la mesure de la qualité du carburant.
Cependant, l'invention est aussi applicable à d'autres circuits d'un véhicule automobile par exemple pour la mesure d'huile, de liquide de refroidissement, ou d'urée. Plus généralement, l'invention est applicable pour des mesures de qualité de fluides dans des environnements difficiles (températures, accès physique).
Comme illustré sur la figure 2, le spectromètre 10 suivant l'invention est avantageusement disposé sur un tuyau de carburant 1 1 , en aval d'un réservoir 12 et d'une pompe de carburant 13, également en aval d'un filtre à carburant 14 (afin de réduire les erreurs de mesure), mais en amont d'une pompe d'injection 15 et d'un moteur à combustion interne 16.
Le spectromètre 10 est relié à un calculateur de commande 17, lequel est également relié à la pompe d'injection 15 ou au moteur 16 dont il est apte à piloter certains réglages. On note que ce calculateur de commande 17 peut être soit le calculateur moteur, classiquement présent dans les véhicules automobiles, soit une électronique de commande du spectromètre, laquelle envoie directement au calculateur moteur les valeurs des paramètres du fluide analysé.
Le spectromètre 10 selon l'invention, décrit en relation avec la figure 3, est structuré autour d'une cellule de mesure 4 dans laquelle circule le fluide à analyser (flèche F), du carburant dans notre exemple d'application. Le spectromètre 10 comporte :
- une source lumineuse 2, - un guide d'onde 3, pour guider un faisceau optique incident issu de la source lumineuse 2,
- la cellule de mesure 4, contenant le fluide à analyser,
- un détecteur de mesure 5, placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de mesure 22, ledit faisceau de mesure 22 étant issu de la source lumineuse 2 et rencontrant la cellule de mesure 4, et
- un détecteur de référence 6, placé sur un chemin optique parcouru par un faisceau optique de référence 23, ledit faisceau de référence 23 étant issu de la source lumineuse 2 et ne rencontrant pas la cellule de mesure 4.
Dans la description qui va suivre, on définit un repère orthogonal XYZ centré sur la source lumineuse 2. On définit par Z un axe longitudinal correspondant au sens de circulation du fluide dans la cellule de mesure 4, par Y un axe transversal normal à des parois 41 , 44 de la cellule de mesure 4, et par X un axe orthogonal aux deux autres axes. La source lumineuse 2, dont le spectre d'émission correspond à la plage de longueurs d'ondes pertinente pour le fluide à analyser, comporte au moins une diode électroluminescente.
Dans le cas présent, nullement limitatif, la source lumineuse 2 est formée de quatre diodes électroluminescentes disposées en carré et les plus rapprochées possible, sur un même support dans le plan XY, de manière à minimiser les décalages de mesure liés à la distance entre les quatre diodes électroluminescentes. La source lumineuse 2 émet dans la direction des Z positifs. Les pics d'émission des diodes électroluminescentes sont situés respectivement autour de 810 nm, 875 nm, 935 nm et 1020 nm.
Par exemple, la source lumineuse présente une dimension de 0,3 x 0,3 mm, avec un écart de 0,1 mm entre deux diodes électroluminescentes contiguës.
Le rôle du guide d'onde 3 est double. D'une part, le guide d'onde 3 assure la mise en forme du faisceau optique incident issu de la source lumineuse 2. D'autre part, il sépare le faisceau incident en deux faisceaux, de sorte à créer un premier faisceau, le • faisceau de référence 23, qui est dirigé vers le détecteur de référence 6, et un second faisceau, le faisceau de mesure 22, qui est dirigé vers le détecteur de mesure 5.
De préférence, le guide d'onde 3 est réalisé dans une matière plastique, telle que le poly méthacrylate de méthyle (PMMA) ou le poly carbonate (PC). Il peut en variante être réalisé en verre moulé par des techniques connues.
Avantageusement, le guide d'onde 3 est réalisé par une méthode de moulage par injection, permettant de réaliser des pièces de forme complexe pour un coût raisonnable.
Le guide d'onde 3 est constitué d'un bloc unique décomposé en trois volumes pour permettre le renvoi du faisceau incident soit vers le détecteur de référence 6 soit vers le détecteur de mesure 5 :
- un premier volume 31 , longitudinal, s'étendant principalement selon la direction des Z positifs,
- un deuxième volume 32, transversal, s'étendant principalement selon la direction des Y positifs, - un troisième volume 33, aussi transversal, s'étendant principalement selon la direction des Y négatifs.
Le premier volume 31 du guide d'onde 3 est plus important en dimension et permet de mettre en forme le faisceau incident. Par l'expression mettre en forme, on entend collimater et séparer le faisceau incident en deux faisceaux sensiblement parallèles et identiques.
Le premier volume 31 est symétrique dans les plans XZ et YZ et présente une épaisseur e, selon l'axe X, une hauteur H, selon l'axe Z et une longueur L, selon l'axe Y, comme illustré sur les figures 4 et 5.
Dans notre exemple d'application, la hauteur H est égale à 30 mm, la longueur L est égale à 15 mm et l'épaisseur e est égale à 15 mm.
Le deuxième volume 32, respectivement le troisième volume 33, présente une épaisseur identique à celui du premier volume et une hauteur h suffisante pour le passage du faisceau de mesure 22, respectivement de référence 23, de l'ordre de 2 mm.
La longueur L3 du troisième volume 33 est ajustable en fonction du placement voulu du détecteur de référence 23. Dans cet exemple, L3 est compris entre 5 et 15 mm
La source lumineuse 2 est avantageusement plaquée, préférentiellement collée, sur une face externe 314 d'une première extrémité 31 1 du premier volume 31 et émet dans la direction des Z positifs.
Le détecteur de référence 6 est avantageusement plaqué, préférentiellement collé, sur une face externe 332 d'une extrémité libre 331 du troisième volume 33
Le plaquage (ou le collage) des composants optiques sur le guide d'onde permet avantageusement de s'affranchir du problème de condensation qui peut apparaître sur les surfaces des composants optiques lors d'une variation importante de température dans l'environnement extérieur du spectromètre 10. Le premier volume 31 comporte en une seconde extrémité 312, opposée à la première extrémité 31 1 , une face 313, sphérique concave de rayon R dans le plan YZ et de rayon R' dans le plan XZ. La face 313 est traitée pour réfléchir le faisceau incident de la source lumineuse 2. Dans la suite de la description, la face 313 est dite face interne réfléchissante.
Les rayons R et R' de la face réfléchissante 313 sont choisis en fonction de la hauteur H, la longueur L et l'épaisseur, e de sorte que les faisceaux réfléchis par ladite face 313 soient parallèles à l'axe Z.
Dans un exemple de réalisation de l'invention, le rayon R est égal à 61 ,65 mm et le rayon R' est égal à 61 ,65 mm (la surface de la face réfléchissante 313 est un secteur de sphère dans le présent exemple). Le rayon est situé sur l'axe Z, juste au dessus du centre de la source lumineuse (juste au dessus du centre des quatre diodes dans le mode de réalisation illustré).
A titre d'exemple, la longueur L du premier volume 31 est de 30 mm pour un rayon R de la surface sphérique de 61 ,65 mm.
Ainsi, le faisceau incident, non collimaté, issu de la source lumineuse 2, se dirige vers la face réfléchissante 313, qui le collimaté et le sépare en deux faisceaux réfléchis distincts, le faisceau de référence 23 et le faisceau de mesure 22, tous deux parallèles à l'axe des Z et dans la direction des Z négatifs.
Le premier volume 31 comporte, sensiblement au niveau de la première extrémité 311 et de part et d'autre de la source lumineuse 2, une face 3112, 3113 traitée pour réfléchir le faisceau réfléchi 22, 23 par la face interne 313. Les faces 3112, 31 13 sont par exemple recouvertes d'une couche d'une substance réfléchissante aux longueurs d'onde de ladite source lumineuse. Les deux faces 3112, 3113 sont orientées à 90° l'une de l'autre. Une première face 3113 permet d'orienter le faisceau de référence 23 dans le troisième volume 33, l'autre face 3112 permet d'orienter le faisceau de mesure 22 dans le deuxième volume 32.
Il est à noter ici que les faces 3113 et 3112 peuvent aussi fonctionner par réflexion totale entre le plastique et l'air (45° d'angle d'incidence). Le problème est alors que cette réflexion totale peut être troublée par de la condensation. C'est pourquoi le mode de réalisation privilégié est de recouvrir ces faces d'une substance réfléchissante (par exemple de l'or).
Les deux faces 31 12, 3113 sont formées de surfaces planes, sur toute l'épaisseur du guide d'onde 3, orientée pour la première face à 45° dans le plan YZ et pour la seconde face à 135° dans ce même plan. Elles sont espacées par une cavité 3114 permettant le passage du faisceau incident dans le premier volume 31 du guide d'onde 3.
La face 3112, respectivement 3113, est dimensionnée pour renvoyer intégralement le faisceau de mesure 22, respectivement le faisceau de référence 23, vers le détecteur de mesure 5, respectivement le détecteur de référence 6.
Le caractère réfléchissant des faces 313, 3112 et 3113 est obtenu par polissage et métallisation desdites trois faces (par exemple par du chrome), par des moyens connus de l'homme de l'art. De préférence, afin d'empêcher la propagation de rayons parasites (propagation par réflexion multiples sur les faces non optiques de la pièce 3), les faces internes du guide d'onde 3 qui ne sont pas polies et ou métallisées sont absorbantes optiquement (ou diffusantes) aux longueurs d'onde de la source lumineuse 2, par exemple en y appliquant une couche de peinture noire. Les faces externes du guide d'onde 3 qui ne sont pas polies et ou métallisées sont opaques optiquement aux faisceaux lumineux situés dans l'environnement extérieur. Cette disposition n'est néanmoins pas nécessaire si le spectromètre 10 est disposé dans un boitier opaque (par exemple noir), qui ne laisse pas entrer de lumière extérieure vers le guide d'onde.
Le guide d'onde 3 est plaqué, préférentiellement collé, par l'extrémité libre 321 de - la face externe 322 du deuxième volume 32, à une première vitre 42 de la paroi 41 de la cellule de mesure 4.
Le détecteur de mesure 5 est plaqué, préférentiellement collé, à une deuxième vitre 43 de la paroi 44 de la cellule de mesure 4.
Dans un premier mode de réalisation du spectromètre illustré par les figures 3 et 6, le détecteur de mesure 5 est indépendant du guide d'onde 3.
La cellule de mesure 4 est ici figurée sous forme d'un segment de tube de section rectangulaire, doté des deux vitres 42, 43 parallèles, se faisant face sur deux parois opposées 41 , 44 de la cellule de mesure 4.
Les deux vitres 42, 43 peuvent être réalisées par exemple en verre ou matière plastique, leur matériau devant être chimiquement neutre vis à vis du fluide analysé, indéformable en fonction de la température, et transparent dans le domaine de longueurs d'ondes utilisé pour la mesure (ici le proche infrarouge, mais des gammes de longueurs d'ondes en U. V. / visible sont également utilisables, sans modification du spectromètre . décrit). La cellule de mesure 4 est réalisée en métal ou plastique rigide, de manière à ce que la distance entre les deux vitres reste sensiblement inchangée en fonction de la température, ceci dans le but d'éviter de perturber la mesure. La fixation des vitres 42, 43 dans les parois 41 , 44 de la cellule de mesure 4 est faite par collage ou tout autre moyen connu. La cellule de mesure 4 est reliée en ses deux extrémités ouvertes (non représentées), par des moyens connus de l'homme de l'art, à un tube 1 1 de circulation de carburant préexistant dans le véhicule. Pour effectuer la mesure de spectre d'absorption, le faisceau de mesure 22 en sortie du guide d'onde 3 traverse donc la première vitre 42, une épaisseur de fluide à analyser égale à une largeur de la cellule de mesure 4 selon l'axe transversal Y, puis la deuxième vitre 43 de la cellule de mesure 4. Lors de cette traversée, certaines longueurs d'onde du spectre d'émission de la source lumineuse 2 sont atténuées du fait de l'absorption des photons de ces longueurs d'ondes par des molécules présentes dans le fluide.
Le faisceau de mesure 22 atténué, issu de la cellule de mesure 4 selon l'axe transversal Y, est capté par le détecteur de mesure 5, placé sur le chemin optique du faisceau de mesure 22, et plaqué, préférentiellement collé, à la deuxième vitre 43, par exemple au moyen d'un support 51 réalisé dans un matériau, de préférence, identique à celui du guide d'onde 3.
Le faisceau de référence 23, en sortie du troisième volume 33 du guide d'onde 3, est capté par le capteur de référence 6. Dans un exemple de réalisation, le détecteur de mesure 5 et ou de référence 6 est de type pyroélectrique associé à un filtre variable, tel que par exemple une cavité interférométrique Fabry-Pérot. La cavité Fabry-Perot est réalisée en MEMS (acronyme anglais pour "Micro Electronic Mechanical Systems") et sa largeur de cavité peut être pilotée par électronique (ce qui permet de choisir la longueur d'onde qui traverse la cavité).
Dans un autre exemple, le détecteur de mesure 5 et ou de référence 6 est une matrice dite CCD (de l'acronyme anglais "Charged Couples Device") ou une matrice dite CMOS (de l'acronyme anglais "Complementary Métal Oxide Semi-conductor) associée à un ou plusieurs filtres optiques de type linéaire variable ou discret. Le filtre permet alors de réaliser des mesures sur un grand nombre de longueurs d'ondes dans la plage de longueurs d'ondes considérée (de 800 à 1250 nm).
Dans un autre mode de réalisation, comme illustré figures 7 et 8, le détecteur de mesure 5 est situé du même coté que le guide d'onde 3 et rattaché audit guide d'onde au moyen d'un quatrième volume 34, accolé au deuxième volume 32 dans le sens des X positifs. Le quatrième volume 34 est un volume de support du détecteur de mesure 5. Il est plaqué, préférentiellement collé, sur une première face 341 , à la deuxième vitre 43 de la cellule de mesure 4.
Le détecteur de mesure 5 est pour sa part plaqué, préférentiellement collé, sur une deuxième face 342, opposée à la première face 341 , du quatrième volume 34. La cellule de mesure 4 est toujours figurée sous forme d'un segment de tube de section rectangulaire. Elle comporte dans ce mode de réalisation, sur la paroi 41 , les deux vitres 42, 43 coplanaires, rectangulaires, et de dimensions sensiblement identiques. Sur la paroi latérale opposée 44, une zone de réflexion de la lumière, comportant deux facettes réfléchissantes 45, 46, orientées à 90° l'une de l'autre, permet la réflexion d'un faisceau lumineux entrant par la première vitre 42 (dans la direction orientée des Y positifs), vers la deuxième vitre 43 (dans la direction orientée des Y négatifs). Les deux facettes réfléchissantes 45, 46 sont dans le présent exemple formées de surfaces planes, orientées pour la première à 45° dans le plan XY, et pour la seconde à 135° dans ce même plan.
Elles sont séparées par une facette 47, principalement plane et parallèle à l'axe X. Les deux facettes réfléchissantes 45, 46 sont dimensionnées pour renvoyer intégralement le faisceau de mesure 22 émergent de la première vitre 42 vers la deuxième vitre 43.
Leur caractère réfléchissant est, dans la présente réalisation, obtenu par polissage et métallisation locale de la surface (par exemple par du chrome) formant la face latérale de la cellule de mesure 4, cette métallisation étant réalisée par des moyens connus de l'homme de l'art. Ces facettes peuvent également être obtenues par collage de miroirs sur les faces orientées à 45° et 135°, ou par tout autre moyen adapté.
Pour effectuer la mesure de spectre d'absorption, le faisceau de mesure 22, en sortie du guide d'onde 3, tel qu'illustré sur la figure 7, traverse donc la première vitre 42, est réfléchi au sein du fluide analysé dans la cellule de mesure 4 par les deux lames 45, 46 et ressort de ladite cellule de mesure 4 en traversant la deuxième vitre 43. Le faisceau de mesure 22 atténué est finalement capté par le détecteur de mesure 5 placé sur le chemin optique du faisceau de mesure 22.
Le faisceau de référence 23, pour sa part, est capté, en sortie du troisième volume 33 du guide d'onde 3 par le capteur de référence 6.
Les détecteurs de mesure 5 et de référence 6 sont identiques à ceux du mode de réalisation précédemment décrit.
Dans une variante de réalisation du guide d'onde 3, pour améliorer la collimation et la séparation du faisceau issu de la source lumineuse 2, la face sphérique 313 du premier volume 31 du guide d'onde 3 n'est pas métallisée sur toute la longueur L mais présente une zone absorbante aux longueurs d'onde de la source lumineuse 2. Ladite zone, d'épaisseur e, symétrique par rapport à l'axe Z et centrée sur l'axe Z, n'est ni polie ni métallisée.
Dans une variante améliorée de réalisation, comme illustré sur les figures 9a et 9b, le premier volume 31 est tronqué dans le plan XZ, au niveau de la deuxième extrémité 312 et symétriquement par rapport à l'axe Z, par une fente sensiblement en forme de V. Le premier volume 31 présente dans le plan YZ, une forme sensiblement en M (figure 9b). Les deux faces 313a, 313b en regard de la source lumineuse sont polies et métallisées. On note que cette fente en forme de V n'a pas de fonctionnalité optique. Elle est utilisée pour optimiser le volume et donc le coût de production de la pièce.
En fonctionnement, lorsqu'un calculateur 17 associé au spectromètre 10 a été initialisé pour un type de fluide à analyser (sélection des longueurs d'ondes à observer), ledit calculateur 17 provoque l'allumage de la source lumineuse 2 à intervalles réguliers dont l'espacement a été préalablement choisi.
Après un délai adapté à tenir compte de la mise en marche normale de ladite source lumineuse 2, le calculateur 17 pilote, lorsque le spectromètre 10 est équipé de filtres variables, des moyens de faire varier la valeur du filtre variable pour régler lesdits filtres successivement sur les différentes longueurs d'ondes formant une série nécessaire à la détermination de la composition du fluide analysé, ces longueurs d'ondes étant mémorisées préalablement dans une mémoire dudit calculateur 17.
Pour chaque longueur d'onde sélectionnée, le détecteur de mesure 5 fournit une mesure caractérisant l'intensité lumineuse reçue dans cette longueur d'onde.
Le spectromètre 10 fournit ainsi à intervalles réguliers au calculateur 17 des mesures du spectre d'absorption du fluide à analyser.
Simultanément, le détecteur de référence 6 fournit, pour les mêmes longueurs d'ondes, une mesure caractéristique de l'intensité lumineuse reçue pour chaque longueur d'onde.
Le calculateur 17 compare les valeurs de mesure et de référence et en déduit l'absorption due à l'échantillon contenu dans la cellule de mesure 4.
Sur la base d'une logique de calcul ou d'un abaque stocké en mémoire, le calculateur 17 détermine, à intervalles réguliers, des modifications de paramètres de fonctionnement du moteur 16. Par exemple : la conformité au carburant adapté au fonctionnement du moteur, le réglage de l'avance à l'allumage, le réglage de l'injection etc.
Le traitement du signal issu du spectromètre 10 selon l'invention sort du cadre de la présente invention, et n'est donc pas détaillé plus avant ici. Parmi ses divers avantages, le spectromètre 10 tel que décrit est donc un système fiable, utilisant des composants simples et robustes, capable de prendre en compte des dérives de vieillissement, et pouvant donc être utilisé dans un environnement difficile tel que le milieu automobile.
L'utilisation d'un guide 3 d'onde suivant l'invention permet avantageusement de remplacer la lentille de collimation et le séparateur de faisceau d'un spectromètre classique, de réduire les tolérances mécaniques puisqu'il n'y a plus qu'une seule pièce, le guide d'onde 3 et de s'affranchir des problèmes de condensation à la surface des composants optiques, sans coût supplémentaire.
La mesure réalisée est quasi continue, ce qui permet d'adapter le système à différentes problématiques (carburant, huile, urée, etc.) pour lesquels les intervalles entre mesures désirées sont plus ou moins longs. L'utilisation d'un chemin optique de référence permet de tenir compte d'une dérive significative des sources lumineuses (par exemple des diodes électroluminescentes). Il est donc possible d'envisager une utilisation du spectromètre 10 sur une grande plage de températures (typiquement sur la plage correspondant au domaine automobile : - 400C à + 1050C). Le spectromètre 10, grâce à son chemin optique de référence, permet également une auto-calibration (des mesures réalisées à lumière éteinte et à lumière maximum caractérisent le bruit électronique des détecteurs), sans vider la cellule de mesure, ce qui est indispensable pour une mesure simple dans un environnement tel qu'un réservoir de carburant ou une tuyauterie de véhicule automobile. Cette auto-calibration est par ailleurs réalisable à intervalles aussi rapprochés que nécessaire, afin de pouvoir tenir compte du vieillissement des composants du spectromètre 10.
On note également que le concept décrit est particulièrement économique pour une fabrication industrielle en grande série, dans le cas ou la mesure est faite sur plus de cinq longueurs d'onde, ce qui est le cas pour des mesures de paramètres de carburants ou pour un appareil polyvalent adapté à divers fluides à analyser, devant alors accommoder des mesures d'absorption pour plusieurs dizaines de longueurs d'ondes.
Dans le cas contraire, par exemple pour un spectromètre 10 demandant des mesures pour cinq longueurs d'onde préalablement fixées, une configuration comprenant cinq diodes électroluminescentes de longueurs d'ondes différentes, exactement adaptées chacune à une longueur d'onde de mesure, et utilisées conjointement comme source lumineuse 2, offre un dispositif moins coûteux (en raison de la suppression du filtre de longueur d'onde associé à chaque détecteur).
Parmi les applications qui peuvent être considérées pour le spectromètre tel que décrit plus haut, on peut naturellement citer un capteur embarqué de qualité de carburant, d'huile, de liquide de refroidissement, ou d'urée.
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails des formes de réalisation ci-dessus considérées à titre d'exemple, mais s'étend au contraire aux modifications à la portée de l'homme de l'art.
En variante, la cellule de mesure 4 est de section cylindrique. Dans cette variante, le principe de mesure reste inchangé, dès lors que la géométrie de la cellule de mesure 4 est connue avec précision. Plus généralement, toute géométrie de la cellule de mesure 4 est acceptable, dans la mesure où il est possible d'étalonner le spectromètre 10.
Il est clair que la source lumineuse 2 peut être constituée d'une seule diode électroluminescente de large spectre d'émission, ou au contraire d'un nombre supérieur, si les caractéristiques d'émission des diodes électroluminescentes et le spectre d'émission souhaité le nécessitent. Ces diodes électroluminescentes, dont la puissance combinée n'excède pas quelques dixièmes de watt, sont alimentées en énergie par des moyens connus et non détaillés ici.
L'exemple de réalisation est décrit pour une source lumineuse 2 comportant des diodes électroluminescentes. Il est clair que d'autres diodes, seule ou en combinaison, peuvent être utilisées, soit en fonction de l'évolution de la technique avec des diodes à bas coût unitaire mais de spectre plus large, soit dans le but de créer un spectre dans une autre plage de longueur d'ondes.
On comprend que les diodes électroluminescentes choisies sont des produits du commerce, de très bas coût unitaire. On a donc créé une source lumineuse 2 équivalente, sur la base de composants existants et très bon marché, dans le but de minimiser le coût global du spectromètre 10. Par ailleurs, les diodes électroluminescentes sont connues pour avoir une durée de vie (durée avant que la puissance émise ait été divisée par deux) de plusieurs dizaines de milliers d'heures, ce qui est compatible avec la durée de vie demandée à un équipement embarqué sur véhicule automobile. La présente invention reste cependant utilisable pour toutes sortes de sources lumineuses, par exemple lampe à incandescence etc.
La description qui a été faite traite d'un spectromètre en transmission, pour lequel le spectre mesuré est le spectre de la lumière ayant traversé le fluide. Le principe décrit s'applique également à un spectromètre en réflexion, mesurant la lumière réfléchie par un fluide, sans modification essentielle du dispositif.
D'autres variantes de mode de réalisation sont également possibles, comme par exemple de réaliser le guide d'onde 3 et la cellule de mesure 4 de manière monobloc dans le même matériau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pour un véhicule automobile, dispositif embarqué de mesure d'un spectre d'un faisceau lumineux dans une plage de longueurs d'ondes préalablement choisie, dispositif appelé spectromètre (10), le spectre étant généré par un fluide à analyser, ledit spectromètre comportant : - au moins une source lumineuse (2),
- un moyen (3) de mise en forme d'un faisceau optique incident issu de la au . moins une source lumineuse (2) et de séparation dudit faisceau optique en un faisceau de mesure (22) et un faisceau de référence (23) sous la forme d'un guide d'onde, - une cellule de mesure (4), comportant le fluide à analyser,
- un détecteur de mesure (5), placé sur un chemin optique parcouru par le faisceau optique de mesure (22), rencontrant la cellule de mesure (4), et
- un détecteur de référence (6), placé sur un chemin optique parcouru par le faisceau optique de référence (23), ne rencontrant pas la cellule de mesure (4), caractérisé en ce que le guide d'onde comporte :
- un premier volume (31 ) pour la mise en forme et la séparation du faisceau incident issu de la source lumineuse (2), ladite source lumineuse étant plaquée à une première extrémité (31 1) dudit premier volume (31), - un deuxième volume (32) de guidage du faisceau de mesure (22) vers le . détecteur de mesure (5), ledit deuxième volume (32) étant plaqué, par une extrémité libre (321), à une première paroi (41) de la cellule de mesure (4),
- un troisième volume (33) de guidage du faisceau de référence (23) vers le détecteur de mesure (5), ledit troisième volume (33) étant plaqué, par une extrémité libre (331), au détecteur de référence (23).
2. Spectromètre (10) suivant la revendication 1 dans lequel le premier volume (31 ) comporte, à une deuxième extrémité (312), opposée à la première extrémité (311), une face interne réfléchissante (313), traitée au moins sur une partie de sa surface pour réfléchir le faisceau incident issu de la source lumineuse (2).
3. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le premier volume (31) comporte, sensiblement au niveau de la première extrémité (311) et de part et d'autre de la source lumineuse (2), une face (3112, respectivement 3113) traitée pour orienter le faisceau de mesure (22), respectivement de référence (23) dans le deuxième volume (32), respectivement troisième volume (33) du guide d'onde (3).
4. Spectromètre (10) suivant l'une des précédentes, dans lequel le guide d'onde (3) comporte un quatrième volume (34) de support du détecteur de mesure (5), ledit détecteur de mesure (5) étant plaqué, au moyen dudit quatrième volume (34), à la première paroi (41) de la cellule de mesure (4).
5. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel des faces non traitées du guide d'onde sont absorbantes ou diffusantes aux longueurs d'ondes de la source lumineuse (2).
6. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel le guide d'onde est réalisé dans une matière plastique qui laisse passer le spectre émis par la source lumineuse (2).
7. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le guide d'onde est réalisé en verre et laisse passer le spectre émis par la source lumineuse (2).
8. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel les détecteurs de mesure (5) et de référence (6) sont associés chacun à un filtre de longueur d'onde.
9. Spectromètre (10) selon la revendication 8, dans lequel les filtres de longueur d'onde sont variables et comportent des moyens de faire varier la valeur desdits filtres de longueur d'onde variables.
10. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications précédentes, dans lequel la source lumineuse (2) est formée de quatre diodes électroluminescentes (LEDs) dont le spectre d'émission couvre une plage de longueurs d'ondes pertinente pour le fluide à analyser, lesdites diodes électroluminescentes étant disposées en carré et les plus rapprochées possible.
11. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications 1 à 9, dans lequel la source lumineuse (2) est une lampe à incandescence.
12. Spectromètre (10) suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide d'onde (3) et la cellule de mesure (4) sont réalisés de manière monobloc.
13. Capteur de qualité de carburant, d'huile, de liquide de refroidissement, ou d'urée, destiné à être installé à demeure dans un véhicule, caractérisé en ce que ledit capteur comporte un spectromètre (10) selon l'une des revendications 1 à 12.
14. Procédé de pilotage d'au moins un paramètre de fonctionnement d'un moteur de véhicule, ledit véhicule étant doté d'un capteur selon la revendication 13 muni de filtres de longueur d'onde variables et d'un calculateur de commande (17) relié audit capteur, caractérisé en ce que ledit procédé comporte des étapes de : - sélection du type de fluide à analyser,
- allumage à intervalles réguliers de la source lumineuse (2),
- attente d'un délai adapté à tenir compte de la mise en marche normale de ladite source lumineuse (2),
- pilotage des filtres de longueur d'onde variables pour régler lesdits filtres successivement sur les différentes longueurs d'ondes formant une série nécessaire à la détermination de la composition du fluide analysé, ces longueurs d'ondes étant mémorisées préalablement dans une mémoire dudit calculateur (17) pour chaque type de fluide susceptible d'être analyser par le capteur,
- mesure, pour chaque longueur d'onde sélectionnée, par le détecteur de mesure (5) et par le détecteur de référence (6) de l'intensité lumineuse reçue dans cette longueur d'onde,
- transmission à intervalles réguliers au calculateur (17) des mesures du spectre d'absorption du fluide à analyser et des mesures du spectre de référence,
- comparaison par le calculateur (17) des valeurs de mesure et de référence, - détermination par le calculateur de l'absorption due à l'échantillon contenu dans la cellule de mesure (4),
- détermination, sur la base d'une logique de calcul ou d'un abaque stocké en mémoire, par le calculateur (17), à intervalles réguliers, des modifications de paramètres de fonctionnement du moteur (16) 15. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur selon la revendication 13 ou met en œuvre un procédé selon la revendication 14
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