WO2014082957A1 - Sonde pour mesures optiques en milieu turbide, et systeme de mesure optique mettant en oeuvre cette sonde - Google Patents

Sonde pour mesures optiques en milieu turbide, et systeme de mesure optique mettant en oeuvre cette sonde Download PDF

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WO2014082957A1
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optical
probe
coupling means
measurement
optical fiber
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PCT/EP2013/074607
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Fabien Chauchard
Sylvie Roussel
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Indatech
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Definitions

  • the present invention relates to a probe for performing optical measurements, in particular of diffusion, of Raman spectroscopy and of fluorescence, in fluids of a more or less complex nature (monophasic or multiphasic fluids such as comprising particles in suspension, foams or emulsions. ..). It also relates to a system and measurement methods implementing such a probe.
  • the field of the invention is more particularly, but not exclusively, that of optical fluid characterization techniques.
  • UV, Visible, Infrared, Medium Infrared and Raman fluorescence and more generally optical measurements of diffusion (for example of granulometry) and absorbance are commonly used techniques for the analysis of solid and liquid products.
  • chemical characterization techniques whose purpose is, in particular, to identify or assay compounds or molecules.
  • these are techniques based on spectroscopic, fluorescence, Raman, etc. type analyzes.
  • Physical type characterization techniques which aim to characterize physical properties of the medium such as turbidity, or particle size (laser particle size).
  • Characterization or optical measurement systems that implement these techniques typically include one or more sources of light detection means (spectrometers, cameras, ...) and probes for taking the measurement in the medium to be analyzed.
  • These probes have the function of illuminating or irradiating the medium to be analyzed, and of collecting light from this medium in terms (orientation, distance, %) that depend on the application. They must also be able to fit into production or laboratory equipment, especially when used for on-line monitoring or control.
  • the measurements are generally carried out in backscatter.
  • the illumination of the medium and the collection of the light are performed on the same side, and the measurement is therefore carried out at an angle of 180 degrees with respect to the direction of illumination;
  • the measurements are generally made in transmission through a thickness of product, with a measurement point facing the illumination source.
  • the measurement is therefore performed with an angle of zero degrees with respect to the illumination source and with an optical path adapted to the level of absorption of the product (typically 2 or 5 mm);
  • transflexion probes a mirror is placed in front of the light source and the measurement is close to the light source at 180 degrees. If the fluid is clear, the measurement is done through reflection on the mirror. If the fluid is not clear, the measurement is done directly backscattering. This technique nevertheless has the disadvantage of not making it possible to distinguish whether the information comes from the liquid or the solid;
  • the measurement is generally carried out with a receiver placed at a 90-degree angle with respect to the illumination source; for characterizing distributions or measuring particle sizes, probe configurations are encountered with several receivers placed at different angles with respect to the illumination source (0, 5, 90, 160, 180, ... degrees) in a function of the desired sensitivity to small or large particles;
  • probes with several receivers placed at different angles or distances from the illumination source can be used to perform spatially resolved spectroscopy measurements.
  • spatially resolved spectroscopy measurements By using the theory of multiple diffusion, for example, one can then determine the physical properties from the calculation of a diffusion coefficient, thus separating the chemical effect.
  • Probe configurations with multiple detectors distributed at different angles are generally large, making their implementation difficult in production environments on small diameter pipes or in reactors or fermenters.
  • the reactors or fermentors generally have ports for inserting instrumentation that have a standardized diameter of 1 inch (25.4 mm) or Vi inch (12.7 mm). The use of larger diameter probes therefore requires expensive adaptations.
  • a second configuration with a measurement zone in the form of a lateral notch on the body of the probe, and detectors placed at 90 degrees and zero degrees from the light source, respectively.
  • the known probes are limited to particular measurement configurations, and thus require the implementation of several probes to perform various measurements.
  • An object of the present invention is to provide a measurement probe of small size, which solves disadvantages of the prior art.
  • Another object of the present invention is to provide a measurement probe suitable for measurements in a wide range of turbidity conditions.
  • Another object of the present invention is to provide a measurement probe which allows a wide variety of measurement configurations, and which can be reconfigurable.
  • optical measuring probe device for performing spectrometric and / or photometric measurements in a fluid
  • At least one first and one second branch extending at the end of said body in its extension and delimiting a measuring cavity
  • optical coupling means capable of transmitting light between at least a portion of said optical fibers and the measuring cavity, comprising (i) first optical coupling means opening into the measurement cavity at the level of the first branch, ii) second optical coupling means opening into the measurement cavity at the second branch, and (iii) third optical coupling means opening into the measurement cavity at the bottom of said cavity.
  • the optical fibers may be multimode fibers or monomode fibers, depending on the applications. They can all be identical, or different depending on the signals they must convey. They can be composed of separated fibers and / or, at least partially, of fibers grouped in the form of fiber bundles or "bundle" in English.
  • the probe according to the invention may furthermore comprise optical connection means for connecting the optical fibers to the optical illumination and / or detection means.
  • optical connection means for connecting the optical fibers to the optical illumination and / or detection means.
  • the probe according to the invention may further comprise fin-shaped branches making it possible to control a flow of liquid flowing in the measurement cavity, so as to make it substantially laminar and to compress it in order to reduce the parasitic effect of the gas bubbles.
  • the measurement cavity is positioned at the end of the body, between the two branches.
  • the probe of the invention is particularly well suited to perform measurements in a stream.
  • the disturbances of the flow in the measurement zone due to the presence of the body are minimized, by comparison in particular with probes of the prior art with a measurement zone which has the shape of a lateral notch.
  • This configuration also makes it possible to optimize the shape of the branches to control the flow in the measurement zone, and to make sure that the fluid that is measured is as representative as possible of all the fluid circulating around the probe.
  • probe configuration makes it possible to carry out measurements with stops of fluid agitation, for example to evaluate settling or phase separation times.
  • the probes are generally arranged vertically, with conventional probes that have a measuring zone in the form of a lateral notch on the body of the probe, a deposit phenomenon appears on the window located down the reactor.
  • the particles can flow freely towards the bottom of the reactor without being deposited on the probe.
  • measurements can be made at different depths, for example by moving the probe, in order to calculate a diffusion / absorption gradient without risk of fouling of this probe.
  • the body of the probe according to the invention may have a diameter of less than 26 mm, or even less than 16 mm.
  • the probe according to the invention can thus be of small diameter and easily integrable in a measurement environment, thanks in particular to the use of the optical fibers to transport the signals and to the disposition at the end of the measuring cavity.
  • the probe according to the invention may comprise a body of circular section or of any other section that fits as needed in a reduced diameter.
  • This body can be of any length. It can be for example very short, for example of the order of a centimeter, to allow measurements in a small space such as a pipe. It can also be lengthened, for example with a length greater than ten centimeters, to allow a measurement sufficiently far away from a wall to avoid disturbances due to agitation against this wall, or to allow measurements at different depths. moving the probe.
  • the probe according to the invention may have a measuring length in the measuring cavity which is suitable for carrying out measurements in media with turbidity greater than 1000 NTU.
  • the probe according to the invention may have a measurement length in the measurement cavity which is suitable for carrying out measurements in media with a turbidity greater than 10000 NTU.
  • the measurement length corresponds to the length of the path of the light in the fluid, in the cavity or more precisely between the interfaces of the first and second optical coupling means with the fluid.
  • the UTN Nephelometric Turbidity Unit - NTU
  • a turbid water has a turbidity of the order of 50 NTU or more
  • the milk has a turbidity of the order of 10000 NTU.
  • the probe according to the invention can be used in very wide turbidity ranges, from less than 200 NTU to more than 10,000 NTU. This is possible for example with a measurement cavity whose length is of the order of 2 to 5 mm.
  • the probe can then be used to perform laser particle size measurements (Fraunhofer theory and particle size above 100pm). Fibers for measuring at many different angles.
  • the probe according to the invention may have a measurement length in the measuring cavity which is variable along the first and second branches.
  • This variable measuring length makes it possible to simultaneously generate optical paths of different length in the fluid. It can be obtained with first and second branches that are not parallel in the measuring cavity.
  • the first and / or second optical coupling means may include a right angle reflector and a window made of at least partially transparent material.
  • the windows of the first and / or second optical coupling means may be of variable thickness and / or be inserted in the first and second branches so that their respective faces in contact with the fluid are not parallel. This makes it possible to obtain measurement lengths which vary according to the position relative to their surface.
  • the first, second and / or third optical coupling means may furthermore include:
  • At least one lens or a microlens of collimation or focusing at least one lens or a microlens of collimation or focusing
  • At least one filter for example of the band-pass or notch type, placed in front of at least a portion of the optical fibers in order to block parasitic wavelengths (Raman laser or UV excitation).
  • This or these filter (s) may in particular be included for performing Raman or UV spectroscopy measurements.
  • optical fibers can follow the shape of the body to the immediate vicinity of the measuring cavity and it is not necessary to impose them small radii of curvature.
  • the transparent windows can be of a calibrated thickness to precisely adjust the length of the measurement zone in the fluid, regardless of the length of the measuring cavity between the two branches.
  • the probe may further include means for easily changing these windows.
  • the body of the probe according to the invention may comprise separable parts of which:
  • a second part comprising the first and second branches and the measuring cavity, and including the optical coupling means.
  • measuring cavities with different geometrical or optical characteristics can easily be mounted on the same probe, or, alternatively, a bundle of optical fibers controlling a measurement cavity can be replaced.
  • the probe may comprise fixing means (to the bioreactor or the pipe for example) integral with the first part.
  • fixing means to the bioreactor or the pipe for example
  • the probe may also comprise fixing means (to the bioreactor or the pipe for example) integral with the second part.
  • fixing means to the bioreactor or the pipe for example
  • the first part with the optical fibers can be inserted into the second part serves as a sheath.
  • the probe according to the invention may furthermore comprise a first central optical fiber having an end coupled with the first coupling optical means, and a second central optical fiber having an end coupled to the first optical fibers.
  • second optical coupling means, the first and second central optical fibers defining a measurement optical axis in the cavity.
  • These first and second central optical fibers may, for example, be used to perform transmission measurements along the optical axis.
  • the probe according to the invention may furthermore comprise:
  • At least one lateral optical fiber having an end coupled with the first coupling means and placed near the end of the first central optical fiber, and / or
  • At least one lateral optical fiber having an end coupled with the second optical neck means and placed near the end of the second central optical fiber.
  • Such a lateral optical fiber may, for example, be used to perform backflushing measurements at 180 degrees.
  • the probe according to the invention may furthermore comprise:
  • At least two lateral optical fibers having an end coupled with the first coupling optical means, the ends being placed substantially at equal distance from the end of the first central optical fiber, and / or
  • At least two lateral optical fibers having an end coupled with the first coupling optical means, the ends of which are placed substantially equal to the end of the second central optical fiber.
  • Such pairs of lateral optical fibers can in particular be used to perform measurements of homogeneity in transmission or backscattering. Indeed, differences in measurements at the same angles and in The same distances relative to an illumination fiber are representative of inhomogeneities present in the fluid.
  • the probe according to the invention may furthermore comprise:
  • a plurality of optical fibers having an end coupled with the third optical coupling means, said ends being arranged in at least one line extending between the first and second branches;
  • a plurality of optical fibers having an end coupled with the third optical coupling means, said ends being arranged along two lines extending between the first and second branches.
  • the third optical coupling means may further comprise at least one cylindrical lens.
  • the two lines can be confused or side by side. They can be substantially parallel.
  • these optical fibers coupled with the third optical coupling means may be used to make measurements with varying angles depending on their position.
  • They can also be used to make particle imaging in the moving fluid.
  • some of them possibly arranged along a line, can be coupled to a light source to illuminate the fluid.
  • the probe can then be used to measure turbidity, spectral measurements and imaging of the medium, for example by coupling it to two or more sources of illumination.
  • optical fibers with one end coupled with the third optical coupling means may be grouped in the form of a sheet to maximize the number of measuring points.
  • an optical measurement system comprising a probe according to the invention, and optical means of illumination and / or detection external to the probe and connected to the optical fibers of said probe.
  • the optical measuring system according to the invention may furthermore comprise optical switching means capable of connecting means illumination optics and / or optical detection means to different optical fibers.
  • the optical measuring system may furthermore comprise at least one light source connected to a first central optical fiber, and detection means of one of the following types: spectrometer, Raman spectrometer hyperspectral camera (for example of the "push broom" or filter type) connected to at least one of the following fibers: second central optical fiber, optical fiber (s) side (s), optical fiber (s) (s) coupled with the third optical coupling means.
  • detection means of one of the following types: spectrometer, Raman spectrometer hyperspectral camera (for example of the "push broom" or filter type) connected to at least one of the following fibers: second central optical fiber, optical fiber (s) side (s), optical fiber (s) (s) coupled with the third optical coupling means.
  • the optical measurement system may furthermore comprise a light source connected to at least one optical fiber having an end coupled with the third optical coupling means, and a detector of one of the following types: matrix detector, line detector, multi-channel spectrometer connected to a plurality of optical fibers having an end coupled with said third optical coupling means.
  • the present invention provides a probe for measuring in a small space a fluid sample from different angles with the possibility of implementing different optical techniques: UV spectroscopy, visible, near infrared, Raman or fluorescence, imaging.
  • the measurements can be made optionally by at least three channels (in transmission, at 90 degrees and / or in backscatter). Some of these channels (at 90 degrees and backscattering in particular) are less sensitive to parasitic primary radiation, in particular for fluorescence measurements or in Raman spectroscopy;
  • the detectors can be connected to one of these channels; - an opportunity to characterize the physics and chemistry of the sample. Measurement methods (Raman, fluorescence and spectroscopy) can be combined and implemented simultaneously or sequentially using multiple optical fibers.
  • the probe is particularly suitable for measurement in reactors containing liquid or pipes.
  • the shape of the probe also allows a better control of the flow in front of the measuring points, and a limitation of the fouling. It thus makes it possible to make decantation and / or demixing measures under good conditions.
  • FIG. 1 illustrates an overview of the probe according to the invention
  • 2 (a) and FIG. 2 (b) illustrate perspective views of the end of the probe with the measuring cavity, respectively from the side and from the front
  • FIG. 3 illustrates a sectional view of the end of the probe with the measuring cavity and the optical fibers represented
  • FIG. 4 illustrates a front view of the measurement cavity with the optical fibers represented, according to a first embodiment
  • FIG. 5 illustrates a front view of the measuring cavity with the optical fibers represented, according to a second embodiment
  • FIG. 6 illustrates a front view of the measuring cavity with the optical fibers shown, according to a third embodiment.
  • FIG. 7 illustrates a block diagram of a system implementing a probe according to the invention.
  • FIGS. 1 to Fig. 6 do not show separate embodiments but illustrate features that can be combined in different ways in particular embodiments of the invention.
  • a probe 1 according to the invention comprises a body 2, which is terminated at one end by two branches 3, 4 between which is a measurement cavity 10. These two branches 3, 4 are called, for reasons for clarity of the presentation first branch 3 and second branch 4, it being understood that these names may in no case be limiting in nature.
  • the branches 3, 4 and the body 2 may be for example metal, glass, sapphire, or a polymeric material (plastic). . .
  • the body 2 is terminated at its other end by an interface of the iaison
  • q ui includes means of connection, especially optiq ues.
  • the probe presented is designed in particular to be able to carry out measurements in a bioreactor, a fermentor or any other enclosure containing a fluid.
  • the body 2 is of elongated shape to allow a measurement taken to the distance of the walls, and sufficiently thin to be easily inserted into the enclosure.
  • the branches 3, 4 have a shape adapted to optimize the flow of fluid in the measuring cavity 10.
  • the probe 1 comprises optical fibers 23 which make it possible to interface the measurement cavity 10 with means of illumination and measurement external to the probe 1. These optical fibers 23 are terminated by connectors at the level of the link interface 5.
  • the optical fibers 23 may be decomposed into first optical fibers 30, second optical fibers 40 and third optical fibers 50 according to their arrangement with respect to the measuring cavity 10.
  • the optical fibers 23 are multimode optical fibers, which allow the light to pass through most of the UV, visible and near infrared spectrum.
  • the probe 1 also comprises optical coupling means that enable the optical fibers 23 to interface with the measuring cavity 10.
  • optical coupling means comprise first and second optical coupling means which open into the measurement cavity 11 at the level of the first branch 3 and the second branch 4, respectively.
  • the first and second optical coupling means comprise reflectors 22 which make it possible to return the beams of the first optical fibers 30 and second optical fibers 40 at a distance to the cavity 11, along an optical measurement axis 21. which relies on the two branches 3, 4.
  • the first and second optical coupling means also comprise transparent windows 11, made of sapphire glass or possibly quartz, which allows the optical beams to pass while ensuring the seal.
  • the thickness of these windows 11 also determines the measurement length which corresponds to the path length of the optical beams in the fluid along the measurement optical axis 21. This thickness can be adjusted for this purpose.
  • the optical coupling means also comprise third optical coupling means which open into the measuring cavity 11 at the bottom of this cavity. They comprise a window 12 of sapphire glass or possibly quartz which pass through the optical beams of the third fibers 50 while sealing.
  • the optical axes of beams originating from (or captured by) these third optical fibers 50 are perpendicular or close to the direction perpendicular to the optical measurement axis 21.
  • the probe 1 further comprises a holding element integral with the body 2, which makes it possible to maintain the end of the various optical fibers 23 at the desired position, relative to the optical coupling means.
  • optical fibers 23 shown in the figures is in no way limiting and should only be considered as an example.
  • the first optical fibers 30 comprise at least this optical central illumination fiber 31.
  • the first optical fibers 30 may also include at least one lateral optical fiber 32 placed near the central optical fiber 31 to collect backscattering light.
  • the central optical fiber 31 can also be used to collect backscattered light.
  • the first optical fibers 30 may also comprise a plurality of lateral optical fibers 32 placed equidistantly, in pairs, from the central optical fiber 31.
  • This configuration makes it possible to make backscattering homogeneity measurements, by comparing the signals received by lateral optical fibers 32 located equidistant on both sides of the central optical fiber 31.
  • the variations between the signals issuing from these fibers 32 can essentially be attributed to the local inhomogeneities (presence of particles, etc.) of the fluid in the measurement zone.
  • this configuration can make it possible to improve the backscattering detection with respect to the inhomogeneities of the fluid, on average the signals coming from the lateral optical fibers 32 located equidistantly on either side of the central optical fiber 31.
  • the second optical fibers 40 comprise at least one central optical fiber 41 for collecting the light in transmission.
  • They may also include one or more lateral optical fiber (s) 42 placed near the central optical fiber 41, to make diffusion measurements, or diffusion profiles, at small angles. Indeed, the measurement angle (with respect to the illumination axis that corresponds to the optical axis 21) of a lateral optical fiber 42 depends on the distance between the central optical fiber 41 and this lateral optical fiber 42 .
  • This configuration makes it possible to measure transmission homogeneity, by comparing the signals received by lateral optical fibers 42 situated at equal distances on either side of the central optical fiber 41. Indeed, the variations between the signals coming from of these fibers 42 may be essentially attributed to local inhomogeneities (presence of particles, ...) of the fluid in the measurement zone. Alternatively, this configuration can make it possible to improve the detection in transmission or at small angles with respect to the inhomogeneities of the fluid, on average the signals coming from the lateral optical fibers 42 located equidistantly on either side of the central optical fiber 41 .
  • the third optical fibers 50 comprise at least one optical fiber 51 for collecting light perpendicular to the optical measurement axis 21.
  • They may furthermore comprise a plurality of optical fibers 52 distributed along a line parallel to the optical measurement axis 21.
  • This configuration may in particular be used to make wide-angle diffusion profile measurements, to the extent each these optical fibers 50 collect light from a diffusion center in the fluid at a different angle (with respect to the illumination axis that corresponds to the optical 21).
  • the third optical fibers 50 can also be used to make imaging of the fluid that flows in the measurement cavity. They can be implemented in the form of a sheet, which makes it possible to obtain a large number of measurement points.
  • Each fiber 50 constitutes a pixel, and an image of the particles of the fluid can be formed, for example with a linear detector, by using the scrolling fluid (which scroll is guided by the shape of the first and second branches 3, 4) for create the second dimension of the image.
  • this imaging mode can be implemented on the same probe and with the same fibers 50 as those used to make diffusion measurements or diffusion profile.
  • the body of the probe has a diameter of 25 mm and a length of 100 mm;
  • the measurement cavity 10 has a useful length of 4 mm;
  • the probe is adapted to perform measurements in fluids with a turbidity up to 12000 NTU;
  • the optical fibers comprise 9 silica optical fibers with a low content of OH ions, a bandwidth of 350-2500 nm and a diameter of 220 ⁇ m, and a fiber diameter of 300 ⁇ m for the detection, and 7 optical fibers for illumination. These optical fibers 23 are terminated by SMA type connectors at the interface 5.
  • the body 2 of the probe may comprise two separable parts:
  • the branches 3, 4 and the measuring cavity 10 may be on a removable element 6 screwed or fixed by any other means on a rear portion 7 of the body 2.
  • the removable element 6 may include the optical means coupling, while the rear portion 7 of the body 2 may include the optical fibers 23, the ends of which are held integral with the body 2 by a holding member. It is thus possible to change the measuring cavity 10, for example for maintenance reasons or to use different measurement cavities with different configurations or lengths of travel in the fluid;
  • the body 2 may comprise an outer portion 71 which comprises the measuring cavity 10 and the optical coupling means.
  • This outer portion 71 is designed such that it can be fixed on an enclosure for example.
  • the body 2 then also includes an inner portion 70 which comprises the optical fibers 23.
  • This inner portion 70 can be inserted into the outer portion 71 as in a sleeve and removed without risk of leakage or contamination of the enclosure. It is thus possible to replace the optical fibers 23, for example to use different fiber configurations 23 or to perform different types of measurement at different wavelengths without disassembling the probe.
  • the two possibilities can be combined, to produce a probe whose body 2 comprises an outer portion 71 with an end 6 (including the measuring cavity and the optical coupling means) removable, and an inner sleeve 70 removable with the optical fiber.
  • the optical coupling means may comprise lenses or microlenses 24 which make it possible to optimize the coupling with the optical fibers 23. They may also comprise filters, for example of the pass-band or cut-off type. band ("notch") for application in Raman spectroscopy or fluorescence).
  • the probe 1 may comprise a reference path for allowing a measurement of the intensity of the illumination outside the measuring cavity 10.
  • the probe may comprise a coupler inserted on a optical fiber 23 provided for illumination, such as the first central optical fiber 31. This coupler takes a fraction of the light it returns by means of an optical fiber to the instrumentation coupled to the probe 1. Thus, the measurement is made closer to the measuring cavity 10 and takes into account losses in the probe, for example at the optical connectors.
  • the third optical fibers 50 may further comprise a second line or a second layer of optical fibers 53 substantially parallel to the optical measurement axis 21.
  • a first fiber line 52 may be used to the measure, and the second line can be used for illumination.
  • the third optical coupling means may further comprise a cylindrical lens 60 for improving imaging performance, in configurations with a single line of optical fibers 52 or with two lines of optical fibers 52, 53.
  • the windows 11 may be of variable thickness depending on the position along a diameter or transverse dimension. They can be placed in the first and second branches 3, 4 so that their faces in contact with the fluid are not parallel.
  • This configuration of the probe 1 makes it possible to carry out transmission measurements, possibly simultaneously, with different measurement lengths in the fluid depending on the optical fibers used. This can, for example, make it possible to use the probe over a larger range of turbidity values, or to make transmission measurements for different thicknesses of fluid.
  • the probe 1 in the embodiment of FIG. 6 may comprise third optical fibers 50 and third optical coupling means according to the embodiments shown in FIGS. 4 and FIG. 5.
  • a probe 1 may comprise first and second coupling means with at least two windows 11, arranged side by side on the first and second branches 4, 5, and arranged so as to form:
  • FIG. 4 a first set of windows 11 with their parallel fluid interfaces, as illustrated in FIG. 4, and a second set of windows 11 with their non-parallel fluid interfaces, as illustrated in FIG. 5.
  • the two side-by-side windows can also be made in the same transparent element 11.
  • the windows 11, 12 of the coupling means can be made in the form of a single window, for example a semicircular window.
  • the body 2, the distal portion 6 of the body 2 with the branches 3, 4 and the measurement cavity 10, or the branches 3, 4 can be made of a transparent material, such as quartz or glass. sapphire crystal.
  • the windows 11 can then be part of this transparent element body 2.
  • the optical coupling means are at least partially included in the body 2 and / or the first and second branches 4, 5.
  • the probe 1 may comprise optical fibers 23 of different diameters according to their positions, for example to optimize the signal-to-noise ratio of the assembly.
  • a measurement system that implements the probe 1 further comprises one or more illumination sources 71, and detection means 74.
  • optical switching means 72 manual or computer-controlled, which make it possible to connect different sources of illumination 71, and / or different detection means 74, to different optical fibers 23.
  • the probe 1 is configured so as to provide an illumination point by the first central optical fiber 31 and at least three measurement points:
  • the system further comprises a coupler or circulator for separating the illumination and the backscattering signal;
  • the illumination source 73 coupled to the central optical fiber 31 may be for example a halogen lamp, a tunable monochromatic light, or a white laser (supercontinum of white light).
  • the detection means 74 comprise a spectrophotometer.
  • This spectrometer may comprise a single measurement channel, and be sequentially coupled by optical switches 72 to the optical fibers 23 which collect the signals.
  • a multichannel spectrophotometer or a hyperspectral camera can also be used to process at least a portion of the measurements simultaneously.
  • the transmission measurement makes it possible to obtain the spectrum of this fluid.
  • the three positions provide useful information.
  • the transmission measurement provides spectral information more correlated to the liquid chemistry while the 90-degree and backscatter measurements provide information on the elements in suspension in the liquid (solid particles, cells, oil drops, etc.). ).
  • the turbidity, the average particle size and / or their density can also be obtained in this way with a spectrophotometer 73.
  • the diffusion theory (single or multiple) can be used according to the level of diffusion: technique of the two spheres of integration, Kubelka Munk equations, Fraunhofer diffraction, Mie theory.
  • Probe 1 can be used for fluorescence measurements.
  • the excitation being done by the first central optical fiber 31, the measurements give access respectively to the frontal fluorescence of the sample (fiber 32), the fluorescence at 90 ° (fiber 51), and the fluorescence in transmission (optical fiber 41). ).
  • the measurement at 90 ° (fiber 51) makes it possible to avoid the effect of excitation radiation on the measure.
  • the ability to perform frontal fluorescence measurements in transmission or at 90 ° makes it possible to optimize the sensitivity to particles or to the liquid in suspension.
  • Probe 1 can be used to do Raman / Cars spectroscopy.
  • the laser excitation being done by the first central optical fiber 31, the measurements give access respectively to the backscattering Raman spectrum (fiber 32), the Raman spectrum at 90 ° (fiber 51), and the Raman spectrum in transmission (optical fiber 41). ).
  • the measurement at 90 ° (fiber 51) makes it possible to avoid the effect of the excitation radiation on the measurement.
  • the measurement of Raman spectrum at different angles may allow a better separation of the Raman effect with respect to the fluorescence effect.
  • the probe 1 may also comprise about ten measurement points (typically between 10 and 20 or even 30) distributed between the first, the second and the third optical fibers 30, 40, 50. This type of configuration makes it possible to 'get measurements at a multitude of different angles.
  • a parallel spectrometer 74 may for example comprise a matrix detector whose columns corresponding to the different measurement channels or optical fibers 23, and on which the corresponding spectra are recorded along the lines.
  • the illumination can be of different types depending on whether one wishes to make UV spectroscopy, visible, near infrared, fluorescence or Raman.
  • Probe configurations with a plurality of measurement points allow for better evaluation of the effect of scattering. Indeed, the diffusion profile can be measured much more precisely at different angles. It may even be possible to carry out granulometric measurements in situ.
  • a measure of homogeneity can be obtained by comparing the measurements of the first or second secondary optical fibers 32, 42 located on one side of the central fiber 31 or 41 with those of the first or second secondary optical fibers 32, 42 located on the other side.
  • the detection of inhomogeneity can be done by comparing the spectra between them by division or by principal component analysis (detection of inhomogeneities by detection of outliers, or "outliers" in English).
  • the homogeneity can also be obtained by illuminating the fluid by a third fiber 50 and by comparing the signals obtained by the first and second optical fibers 30, 40;
  • the probe 1 can also be used to perform online imaging. Indeed, if the number of third optical fibers 50 is sufficiently large (for example of the order of 15 to 20) and the acquisition speed is fast enough, the system can produce an image by combining the simultaneous measurements.
  • the illumination may be derived from a first central fiber 31, some of the third fibers 51, 52, or a second line of third lighting fibers 53.
  • the illumination may also be at a wavelength of excitation to perform fluorescence imaging.
  • a linear detector 74 may in particular be used.
  • the shape of the probe facilitates a laminar flow, the passage of the liquid will allow a uniform scan pledge of a good quality image.
  • a parallel spectrometer 74 may also be used to produce hyperspectral images, or a plurality of images at different wavelengths.
  • the measurement possibilities make it possible to implement different types of processing depending on the information sought.
  • the signal can be processed in particular:
  • the signal at 90 ° and backscattering is strongly correlated to the signal of the particles, but it also contains the chemical information of the fluid.
  • a principal component analysis is calculated on the transmission spectra. These spectra mainly contain the information of the liquid. The main components are then used to define a projection operator.
  • the part containing the chemical information of the fluid is calculated by multiplying the spectrum by the projection operator;
  • the particle information part is calculated by subtracting the raw spectrum by the spectrum multiplied by the projection operator.

Abstract

La présente invention concerne un dispositif sonde de mesure optique pour effectuer des mesures spectrométriques et/ou photométriques dans un fluide, comprenant un corps (2), au moins une première et une seconde branche (4, 5) s'étendant à l'extrémité dudit corps (2) dans son prolongement et délimitant une cavité de mesure,une pluralité de fibres optiques (23) insérées dans ledit corps (2), et des moyens optiques de couplage (11, 12, 22) aptes à transmettre de la lumière entre au moins une partie desdites fibres optiques (23) et la cavité de mesure. L'invention concerne aussi un système de mesure mettant en œuvre la sonde.

Description

« Sonde pour mesures optiques en milieu turbide, et système de mesure optique mettant en œuvre cette sonde »
Domaine technique
La présente invention concerne une sonde pour effectuer des mesures optiques, notamment de diffusion, de spectroscopie Raman et de fluorescence, dans des fluides de nature plus ou moins complexe (fluides monophasique, ou multiphasiques tels que comprenant des particules en suspension, mousses ou émulsions...). Elle concerne également un système et des procédés de mesure mettant en œuvre une telle sonde.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non limitative celui des techniques optiques de caractérisation de fluides.
Etat de la technique antérieure
La spectroscopie (UV, Visible, Infrarouge, Moyen Infrarouge et Raman), la fluorescence et plus généralement les mesures optiques de diffusion (par exemple de granulométrie) et d'absorbance sont des techniques couramment utilisées pour l'analyse des produits solides et liquides.
Ces techniques permettent notamment la caractérisation de fluides complexes, tels que des mélanges liquide/liquide, liquide/solide, liquide/gaz, ou solide/gaz. Elles trouvent des applications dans des domaines variés, comme par exemple le contrôle des procédés de cristallisation, des dilutions, des mélanges colloïdaux, ou en biotechnologie, pour le suivi de la croissance de cellule, etc ..
On distingue usuellement :
- des techniques de caractérisation de type chimique, qui ont pour but notamment d'identifier ou de doser des composés ou des molécules. Il s'agit en général de techniques basées sur des analyses de type spectroscopique, fluorescence, Raman, ...
- des techniques de caractérisation de type physique, qui ont pour but de caractériser des propriétés physique du milieu telles que la turbidité, ou la taille des particules (granulométrie laser).
Les systèmes de caractérisation ou de mesure optique qui mettent en œuvre ces techniques comprennent en général une ou plusieurs sources de lumière, des moyens de détection (spectromètres, caméras, ...) et des sondes pour effectuer la prise de mesure dans le milieu à analyser.
Ces sondes ont pour fonction d'illuminer ou d'irradier le milieu à analyser, et de collecter de la lumière issue de ce milieu selon des modalités (orientation, distance, ...) qui dépendent de l'application. Elles doivent en outre pouvoir s'insérer dans des équipements de production ou de laboratoire, en particulier lorsqu'elles sont utilisées pour effectuer un suivi ou un contrôle en ligne de production.
On connaît ainsi différents types de sonde, avec des géométries et des configurations optiques adaptées à des environnements de mesure particuliers et à des grandeurs recherchées spécifiques.
Par exemple :
- si le produit ou le fluide à analyser est très turbide, les mesures s'effectuent en général en rétrodiffusion. L'illumination du milieu et la collecte de la lumière sont effectuées du même côté, et la mesure est donc effectuée avec un angle de 180 degré par rapport à la direction d'illumination ;
- si le produit ou le fluide à analyser est clair, les mesures s'effectuent en général en transmission au travers d'une épaisseur de produit, avec un point de mesure faisant face à la source d'illumination. La mesure est donc effectuée avec un angle de zéro degrés par rapport à la source d'illumination et avec un trajet optique adapté au niveau d'absorption du produit (typiquement 2 ou 5mm);
- si la turbidité du produit ou du fluide à analyser change fortement durant le procédé, les deux techniques précédentes ne permettent pas de suivre entièrement l'évolution du produit au cours du temps. Pour cela on utilise des sondes de transflexion : un miroir est placé en face de la source lumineuse et la mesure se fait proche de la source lumineuse à 180 degrés. Si le fluide est clair, la mesure se fait grâce à la réflexion sur le miroir. Si le fluide n'est pas clair, la mesure se fait directement en rétrodiffusion. Cette technique a néanmoins l'inconvénient de ne pas permettre de distinguer si l'information vient plus du liquide ou du solide ;
- pour caractériser la turbidité des fluides complexes, la mesure s'effectue en général avec un récepteur placé à un angle de 90 degrés par rapport à la source d'illumination ; - pour caractériser des distributions ou mesurer des tailles de particule, on rencontre des configurations de sonde avec plusieurs récepteurs placés à différents angles par rapport à la source d'illumination (0, 5, 90, 160, 180, ... degrés) en fonction de la sensibilité recherchée aux petites ou aux grosses particules ;
- des sondes avec plusieurs récepteurs placés à différents angles ou distances par rapport à la source d'illumination peuvent être utilisées pour effectuer des mesures de spectroscopie résolue spatialement. En utilisant la théorie de la diffusion multiple, par exemple, on peut alors déterminer les propriétés physiques à partir du calcul d'un coefficient de diffusion, en séparant ainsi l'effet chimique.
Les configurations de sondes avec plusieurs détecteurs répartis à différents angles ont généralement une taille importante, ce qui rend leur mise en œuvre difficile dans des environnements de production sur des conduites de petit diamètre ou dans des réacteurs ou des fermenteurs. En outre, les réacteurs ou des fermenteurs ont en général des ports permettant d'insérer de l'instrumentation qui ont un diamètre normalisé de 1 pouce (25,4 mm) ou Vi pouce (12,7 mm). L'utilisation de sondes de plus gros diamètre nécessite donc des adaptations onéreuses.
On connaît également le document US 7,319,522 de Havard et al. qui décrit un système pour effectuer des mesures spectroscopiques et de turbidité. Ce document décrit deux configurations de sondes :
- une première configuration avec une source de lumière et des détecteurs placés à l'extrémité de la sonde pour effectuer des mesures en rétrodiffusion (180 degrés) dans des conditions de turbidité élevées ; et
- une seconde configuration avec une zone de mesure en forme d'encoche latérale sur le corps de la sonde, et des détecteurs placés à 90 degrés et zéro degrés de la source de lumière, respectivement.
Cette sonde présente plusieurs inconvénients :
- elle ne permet pas d'effectuer des mesures sans modification de la sonde dans une gamme très étendue de valeurs de turbidité ;
- la zone de mesure en transmission n'est pas en bout de sonde, ce qui présente des inconvénients en termes d'encombrement. En outre cette configuration est propice à l'encrassement ; - enfin, ce type de géométrie limite les possibilités de configuration de mesure, car il est difficile de multiplier les points de mesure avec une zone de mesure en forme d'encoche latérale sur le corps de la soude.
De manière générale, les sondes connues sont limitées à des configurations particulières de mesure, et nécessitent donc la mise en œuvre de plusieurs sondes pour effectuer des mesures variées.
Un objet de la présente invention est de proposer une sonde de mesure de faible encombrement, qui résolve des inconvénients de l'art antérieur.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une sonde de mesure adaptée à des prises de mesures dans une large gamme de conditions de turbidité.
Un autre objet de la présente invention est de proposer une sonde de mesure qui permette une grande variété de configurations de mesure, et qui puisse être reconfigurable.
Exposé de l'invention
Ces objectifs sont atteints avec un dispositif sonde de mesure optique pour effectuer des mesures spectrométriques et/ou photométriques dans un fluide,
comprenant un corps apte à être immergé dans ledit fluide,
caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- au moins une première et une seconde branches s'étendant à l'extrémité dudit corps dans son prolongement et délimitant une cavité de mesure,
- une pluralité de fibres optiques insérées dans ledit corps et aptes à être reliées à des moyens optiques d'illumination et/ou de détection,
- des moyens optiques de couplage aptes à transmettre de la lumière entre au moins une partie desdites fibres optiques et la cavité de mesure, comprenant (i) des premiers moyens optiques de couplage débouchant dans la cavité de mesure au niveau de la première branche, (ii) des seconds moyens optiques de couplage débouchant dans la cavité de mesure au niveau de la seconde branche, et (iii) des troisièmes moyens optiques de couplage débouchant dans la cavité de mesure au niveau du fond de ladite cavité.
Les fibres optiques peuvent être des fibres multimodes ou des fibres monomodes, selon les applications. Elles peuvent être toutes identiques, ou différentes en fonction des signaux qu'elles doivent convoyer. Elles peuvent être composées de fibres séparées et/ou, au moins partiellement, de fibres regroupées sous forme de faisceaux de fibres ou « bundle » en Anglais.
La sonde selon l'invention peut comprendre en outre des moyens de connexion optique permettant de relier les fibres optiques aux moyens optiques d'illumination et/ou de détection. Ainsi, une même sonde peut facilement être reliée à différents sources de lumières et/ou différents détecteurs, selon différentes configurations. Cette souplesse d'utilisation est rendue possible par l'utilisation de fibres optiques pour déporter les composants actifs (sources et détecteurs) à l'extérieur de la sonde.
La sonde selon l'invention peut comprendre en outre des branches en forme d'ailettes permettant de contrôler un flux de liquide circulant dans la cavité de mesure, de telle sorte à le rendre sensiblement laminaire et à le comprimer pour diminuer l'effet parasite des bulles de gaz.
La cavité de mesure est positionnée à l'extrémité du corps, entre les deux branches. Grâce à cette configuration, la sonde de l'invention est particulièrement bien adaptée pour effectuer des mesures dans un flux. Les perturbations du flux dans la zone de mesure dues à la présence du corps sont minimisées, par comparaison notamment avec des sondes de l'art antérieur avec une zone de mesure qui a la forme d'une encoche latérale.
Cette configuration permet en outre d'optimiser la forme des branches pour maîtriser le flux dans la zone de mesure, et s'assurer que le fluide qui est mesuré est aussi représentatif que possible de l'ensemble du fluide circulant autour de la sonde.
Enfin, configuration de sonde permet d'effectuer des mesures avec des arrêts de l'agitation du fluide, par exemple pour évaluer des temps de décantation ou de démixtion de phase. En effet, en considérant que les sondes sont en général disposées verticalement, avec des sondes classiques qui ont une zone de mesure en forme d'encoche latérale sur le corps de la sonde, un phénomène de dépôt apparaît sur la fenêtre située vers le bas du réacteur. Au contraire, avec la sonde selon l'invention, les particules peuvent circuler librement vers le bas du réacteur sans se déposer sur la sonde. En outre, des mesures peuvent être effectuées à différentes profondeur, par exemple en déplaçant la sonde, afin de calculer un gradient de diffusion/ absorption sans risque d'encrassement de cette sonde. Suivant des modes de réalisation, le corps de la sonde selon l'invention peut avoir un diamètre inférieur à 26 mm, ou même inférieur à 16 mm.
Ainsi, elle peut être conformée de telle sorte à pouvoir être insérée dans un port de fermenteur ou de bioréacteur de diamètre 1 pouce (2,54 cm), ou même dans un port de diamètre 1/2 pouce (1,27 cm).
La sonde selon l'invention peut ainsi être de faible diamètre et facilement intégrable dans un environnement de mesure, grâce notamment à l'utilisation des fibres optiques pour transporter les signaux et à la disposition en bout de la cavité de mesure.
La sonde selon l'invention peut comprendre un corps de section circulaire ou de toute autre section qui s'inscrit au besoin dans un diamètre réduit. Ce corps peut être de toute longueur. Il peut être par exemple très court, par exemple de l'ordre du centimètre, pour permettre des mesures dans un espace réduit tel qu'une conduite. Il peut également être allongé, avec par exemple une longueur supérieure à dix centimètres, pour permettre une prise de mesures suffisamment éloignée d'une paroi pour éviter les perturbations dues à l'agitation contre cette paroi, ou pour permettre des mesures à différentes profondeurs en déplaçant la sonde.
Suivant des modes de réalisation, la sonde selon l'invention peut avoir une longueur de mesure dans la cavité de mesure qui est adaptée à la réalisation de mesures dans des milieux dont la turbidité est supérieure à 1000 UTN.
Suivant des modes de réalisation, la sonde selon l'invention peut avoir une longueur de mesure dans la cavité de mesure qui est adaptée à la réalisation de mesures dans des milieux dont la turbidité est supérieure à 10000 UTN.
La longueur de mesure correspond à la longueur du parcours de la lumière dans le fluide, dans la cavité ou plus précisément entre les interfaces des premiers et des seconds moyens optiques de couplage avec le fluide.
On rappelle que l'UTN (Unité de Turbidité Néphélométrique, ou en langue anglaise NTU - Nephelometric Turbidity Unit -) est une unité de mesure normalisée de la turbidité obtenue par une technique néphélométrique, c'est- à-dire par une technique optique consistant à mesurer la lumière diffusée à 90 degrés d'angle par rapport à la lumière incidente. A titre d'exemple, une eau trouble présente une turbidité de l'ordre de 50 UTN ou plus, et le lait présente une turbidité de l'ordre de 10000 UTN.
Sachant que l'intensité de la lumière diminue de manière exponentielle avec la distance de propagation dans un milieu turbide, pour pouvoir effectuer des mesures dans des milieux de turbidité élevée, il est nécessaire de limiter les distances entre la source de lumière et les détecteurs.
Or, pour pouvoir utiliser des distances de mesure faibles, il est nécessaire de pouvoir limiter la taille des sources de lumière et des détecteurs, pour des raisons d'encombrement mécanique et pour limiter les angles solides de captation. Cela est rendu possible dans l'invention par l'utilisation des fibres optiques qui permettent de s'affranchir, au niveau de la sonde, des contraintes géométriques et d'encombrement liées aux sources et aux détecteurs.
Suivant des modes de réalisation, la sonde selon l'invention peut être utilisée dans des plages de turbidité très larges, de moins de 200 UTN à plus de 10000 UTN. Cela est possible par exemple avec une cavité de mesure dont la longueur est de l'ordre de 2 à 5 mm.
Dans le cas de très faible concentration en particules, les phénomènes se limite à de la diffusion simple. La sonde peut alors être utilisée pour effectuer des mesures granulométrique par laser (Théorie de Fraunhofer et mie pour les particules supérieure à lOOpm). Les fibres permettant une mesure à de nombreux différents angles.
Suivant des modes de réalisation, la sonde selon l'invention peut avoir une longueur de mesure dans la cavité de mesure qui est variable le long des première et seconde branches.
Cette longueur de mesure variable permet de générer simultanément des trajets optiques de longueur différente dans le fluide. Elle peut être obtenue avec des première et seconde branches qui ne sont pas parallèles dans la cavité de mesure.
Suivant des modes de réalisation, les premiers et/ou les seconds moyens optiques de couplage peuvent inclure un réflecteur à angle droit et une fenêtre en matériau au moins partiellement transparent.
Les fenêtres des premiers et/ou des seconds moyens optiques de couplage peuvent être d'épaisseur variable et/ou être insérées dans les première et seconde branches de telle sorte que leurs faces respectives en contact avec le fluide ne soient pas parallèles. Cela permet d'obtenir des longueurs de mesure variables selon la position relativement à leur surface.
Suivant des modes de réalisation, les premiers, deuxièmes et/ou troisièmes moyens optiques de couplage peuvent inclure en outre :
- au moins une lentille ou une microlentille de collimation ou focalisation ;
- au moins un filtre, par exemple de type passe-bande ou coupe-bande (« notch ») placé devant au moins une partie des fibres optiques afin de bloquer des longueurs d'onde parasites (Laser Raman ou excitation UV). Ce ou ces filtre(s) peuvent notamment être inclus pour effectuer des mesures de spectroscopie Raman ou UV.
Cette configuration permet une compacité maximale. Les fibres optiques peuvent suivre la forme du corps jusqu'à proximité immédiate de la cavité de mesure et il n'est pas nécessaire de leur imposer des rayons de courbure faibles.
En outre, les fenêtres transparentes peuvent être d'une épaisseur calibrée pour ajuster précisément la longueur de la zone de mesure dans le fluide, indépendamment de la longueur de la cavité de mesure entre les deux branches. La sonde peut en outre comprendre des moyens pour changer facilement ces fenêtres.
Suivant des modes de réalisation, le corps de la sonde selon l'invention peut comporter des parties séparables dont :
- une première partie incluant les fibres optiques, et
- une seconde partie comprenant les premières et secondes branches et la cavité de mesure, et incluant les moyens optiques de couplage.
De cette manière, des cavités de mesure avec des caractéristiques géométriques ou optiques différentes peuvent aisément être montées sur une même sonde, ou, alternativement, un faisceau de fibres optiques contrôlant une cavité de mesure peut être remplacé.
En outre, la sonde peut comprendre des moyens de fixation (au bioréacteur ou à la conduite par exemple) solidaires de la première partie. Dans ce cas, le corps peut se séparer simplement en deux parties.
La sonde peut également comprendre des moyens de fixation (au bioréacteur ou à la conduite par exemple) solidaires de la seconde partie. Dans ce cas, la première partie avec les fibres optiques peut être insérée dans la seconde partie q ui fait office de fourreau . Cela permet de changer la partie arrière d 'une sonde en laissant la partie avec la cavité de mesure solidaire de l'enceinte ou de la conduite sur laq uelle elle est fixée, par exemple pour effectuer d 'autres types de mesure en minimisant les risq ues de contamination puisque l'étanchéité n'est pas rompue.
Suivant des modes de réal isation, la sonde selon l'invention peut comprend re en outre une première fibre optiq ue centrale ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiq ues de couplage, et une seconde fibre optiq ue centrale ayant une extrémité couplée avec les seconds moyens optiq ues de couplage, lesq uelles premières et secondes fibres optiques centrales définissant un axe optiq ue de mesure dans la cavité.
Ces premières et secondes fibres optiques centrales peuvent par exemple être utilisées pour effectuer des mesures en transmission le long de l'axe optiq ue.
La sonde selon l'invention peut comprendre en outre :
- au moins une fibre optiq ue latérale ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiq ues de couplage et placée à proximité de l 'extrémité de la première fibre optiq ue centrale, et/ou
- au moins une fibre optiq ue latérale ayant une extrémité couplée avec les seconds moyens optiq ues de cou plage et placée à proximité de l 'extrémité de la seconde fibre optiq ue centrale.
U ne telle fibre optiq ue latérale peut par exemple être utilisée pou r effectuer des mesures en rétrod iffusion, à 180 degrés.
La sonde selon l'invention peut comprend re en outre :
- au moins deux fibres optiq ues latérales ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiq ues de couplage, lesq uel les extrémités étant placées sensiblement à égale d istance de l'extrémité de la première fibre optiq ue centrale, et/ou
- au moins deux fibres optiq ues latérales ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiq ues de couplage, lesq uel les extrémités étant placées sensiblement à égale d istance de l'extrémité de la seconde fibre optique centrale.
De tel les paires de fibres optiq ues latérales peuvent notamment être util isées pour effectuer des mesures d 'homogénéité en transmission ou en rétrodiffusion . En effet, des d ifférences de mesures aux mêmes angles et aux mêmes distances relativement à une fibre d'illumination sont représentatives d'inhomogénéités présentes dans le fluide.
Suivant des modes de réalisation, la sonde selon l'invention peut comprendre en outre :
- une pluralité de fibres optiques ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage, lesquelles extrémités étant disposées selon au moins une ligne s'étendant entre la première et la seconde branches ;
- une pluralité de fibres optiques ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage, lesquelles extrémités étant disposées selon deux lignes s'étendant entre la première et la seconde branches.
Les troisièmes moyens optiques de couplage peuvent comprendre en outre au moins une lentille cylindrique.
Les deux lignes peuvent être confondues ou côte à côte. Elles peuvent être sensiblement parallèles.
Par rapport à une illumination issue d'une première ou d'une seconde fibre optique centrale, ces fibres optiques couplées avec les troisièmes moyens optiques de couplage peuvent être utilisées pour faire des mesures avec des angles variables, dépendant de leur position.
Elles peuvent également être utilisées pour faire de l'imagerie de particules dans le fluide en mouvement. Dans ce cas, certaines d'entre elles, éventuellement disposées selon une ligne, peuvent être couplées à une source de lumière pour éclairer le fluide. La sonde peut être utilisée alors pour faire des mesures de turbidité, des mesures spectrales et de l'imagerie du milieu, par exemple en la couplant à deux ou plusieurs sources d'illumination.
Ces fibres optiques avec une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage peuvent êtres groupées sous forme de nappe pour maximiser le nombre de points de mesure.
Suivant un autre aspect, il est proposé un système de mesure optique comprenant une sonde selon l'invention, et des moyens optiques d'illumination et/ou de détection externes à la sonde et reliés aux fibres optiques de ladite sonde.
Le système de mesure optique selon l'invention peut comprendre en outre des moyens optiques de commutation aptes à relier des moyens optiques d'illumination et/ou des moyens optiques de détection à différentes fibres optiques.
Suivant des modes de réalisation, le système de mesure optique selon l'invention peut comprendre en outre au moins une source de lumière reliée à une première fibre optique centrale, et des moyens de détection de l'un des types suivants : spectromètre, spectromètre Raman, caméra hyperspectrale (par exemple de type « push broom » ou à filtres) reliés à au moins l'une des fibres suivantes : seconde fibre optique centrale, fibre(s) optique(s) latérale(s), fibre(s) optique(s) couplée(s) avec les troisièmes moyens optiques de couplage.
Suivant des modes de réalisation, le système de mesure optique selon l'invention peut comprendre en outre une source de lumière reliée à au moins une fibre optique ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage, et un détecteur de l'un des types suivants : détecteur matriciel, détecteur ligne, spectromètre multicanaux, relié à une pluralité de fibres optiques ayant une extrémité couplée avec lesdits troisièmes moyens optiques de couplage.
Ainsi, la présente invention propose une sonde permettant de mesurer dans un encombrement réduit un échantillon de fluide sous différents angles avec la possibilité de mettre en œuvre différentes techniques optiques : Spectroscopie UV, visible, proche infrarouge, Raman ou de fluorescence, imagerie.
Cette sonde permet notamment :
- une plus grande robustesse de mesure. Par exemple, les mesures peuvent être effectuées au choix par au moins trois canaux (en transmission, à 90 degrés et/ou en rétrodiffusion). Or certains de ces canaux (à 90 degrés et en rétrodiffusion notamment) sont moins sensibles au rayonnement primaire parasite, en particulier pour les mesures de fluorescence ou en spectroscopie Raman ;
- une grande flexibilité. Si la turbidité de l'échantillon est faible, la mesure en transmission donne le plus d'information . Si sa turbidité est élevée, ce sont les mesures à 90 degrés ou en rétrodiffusion qui donnent le plus d'information . Or les détecteurs peuvent être reliés au choix à l'un de ces canaux ; - une possibilité de caractériser la physique et la chimie de l'échantillon. Les méthodes de mesure (Raman, fluorescence et spectroscopie) peuvent être combinées et mises en œuvre simultanément ou séquentiellement grâce aux multiples fibres optiques.
La sonde est particulièrement adaptée à la mesure dans des réacteurs contenant du liquide ou des tuyaux. La forme de la sonde permet par ailleurs une meilleure maîtrise du flux devant les points de mesure, et une limitation de l'encrassage. Elle permet ainsi de faire dans de bonnes conditions des mesures de décantation et/ou de démixtion.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la Fig. 1 illustre une vue d'ensemble de la sonde selon l'invention, - les Fig. 2(a) et Fig . 2(b) illustrent des vue en perspective de l'extrémité de la sonde avec la cavité de mesure, respectivement de côté et de face,
- la Fig. 3 illustre une vue en coupe de l'extrémité de la sonde avec la cavité de mesure et les fibres optiques représentées,
- la Fig . 4 illustre une vue de face de la cavité de mesure avec les fibres optiques représentées, suivant un premier mode de réalisation,
- la Fig . 5 illustre une vue de face de la cavité de mesure avec les fibres optiques représentées, suivant un second mode de réalisation,
- la Fig . 6 illustre une vue de face de la cavité de mesure avec les fibres optiques représentées, suivant un troisième mode de réalisation.
- la Fig. 7 illustre un schéma synoptique de système mettant en œuvre une sonde selon l'invention.
Il est à noter que les Fig . 1 à Fig . 6 ne présentent pas des modes de réalisation distincts mais illustrent des caractéristiques qui peuvent être combinées de différentes manières dans des modes de réalisation particuliers de l'invention.
En référence aux Fig. 1, Fig . 2(a) et Fig . 2(b), une sonde 1 selon l'invention comprend un corps 2, qui est terminé selon une extrémité par deux branches 3, 4 entre lesquelles se trouve une cavité de mesure 10. Ces deux branches 3, 4 sont dénommées, pour des raisons de clarté de l'exposé première branche 3 et seconde branche 4, étant entendu q ue ces dénominations ne peuvent en aucun cas avoir un caractère limitatif.
Les branches 3, 4 et le corps 2 peuvent être par exemple en métal, en verre, en saphir, ou dans un matériau polymère (plastique) . . .
Le corps 2 est terminé à son autre extrémité par une interface de l iaison
5 q ui permet de fixer la sonde, et q ui comprend les moyens de connexion, notamment optiq ues.
La sonde présentée est conçue notamment pour pouvoir effectuer des mesures dans un bioréacteur, un fermenteur ou toute autre enceinte contenant un fluide. Le corps 2 est de forme allongée pour permettre une prise de mesu re à d istance des parois, et suffisamment fin pou r pou rvoir être facilement inséré dans l'enceinte .
Comme expliq ué précédemment, les branches 3, 4 ont une forme adaptée pour optimiser l 'écoulement d u fl uide dans la cavité de mesu re 10.
En référence à la Fig . 3, la sonde 1 comprend des fibres optiq ues 23 q ui permettent d 'interfacer la cavité de mesure 10 avec des moyens d'il lumination et de mesure externes à la sonde 1. Ces fibres optiques 23 sont terminées par des connecteurs au niveau de l'interface de liaison 5.
Les fibres optiq ues 23 peuvent être décomposées en premières fibres optiq ues 30, secondes fibres optiques 40 et troisièmes fibres optiq ues 50 suivant leur disposition par rapport à la cavité de mesure 10.
Les fibres optiq ues 23 sont des fibres optiques multimodes, q ui laissent passer la l umière sur l 'essentiel d u spectre UV, visible et proche infrarouge.
La sonde 1 comprend également des moyens optiq ues de couplage q ui permettent d 'interfacer les fibres optiq ues 23 avec la cavité de mesure 10.
Ces moyens optiq ues de couplage comprennent des premiers et des seconds moyens optiq ues de couplage qui débouchent dans la cavité de mesure 11 au niveau, respectivement de la première branche 3 et de la seconde branche 4.
Les premiers et les seconds moyens optiques de couplage comprennent des réflecteurs 22 q ui permettent de renvoyer les faisceaux des premières fibres optiq ues 30 et des secondes fibres optiq ues 40 à ang le d roit dans la cavité 11 , selon un axe optique de mesure 21 q ui rel ie les deux branches 3, 4.
Les premiers et des seconds moyens optiques de couplage comprennent également des fenêtres transparentes 11 , en verre de saphir ou éventuellement en quartz, qui laisse passer les faisceaux optiques tout en assurant l'étanchéité. L'épaisseur de ces fenêtres 11 détermine également la longueur de mesure 20 qui correspond à la longueur de parcours des faisceaux optiques dans le fluide le long de l'axe optique de mesure 21. Cette épaisseur peut être ajustée dans ce but.
Les moyens optiques de couplage comprennent également des troisièmes moyens optiques de couplage qui débouchent dans la cavité de mesure 11 au niveau du fond de cette cavité. Ils comprennent une fenêtre 12 en verre de saphir ou éventuellement en quartz qui laissent passer les faisceaux optiques des troisièmes fibres 50 tout en assurant l'étanchéité. Les axes optiques de faisceaux issus de (ou captés par) ces troisièmes fibres optiques 50 sont perpendiculaires ou proches de la direction perpendiculaire à l'axe optique de mesure 21.
La sonde 1 comprend en outre un élément de maintien solidaire du corps 2, qui permet de maintenir l'extrémité des différentes fibres optiques 23 à la position désirée, relativement aux moyens optiques de couplage.
Le nombre de fibres optiques 23 représentées sur les figures n'est en aucun cas limitatif et doit uniquement être considéré à titre d'exemple.
Nous allons décrire des exemples de configuration basés sur l'hypothèse, non limitative, où une des premières fibres optiques 30 est utilisée comme fibre optique centrale 31 d'illumination (c'est-à-dire qu'elle est reliée à une source de lumière) .
Les premières fibres optiques 30 comprennent au minimum cette fibre optique centrale d'illumination 31.
Les premières fibres optiques 30 peuvent également comprendre au moins une fibre optique latérale 32 placée à proximité de la fibre optique centrale 31 , pour collecter la lumière en rétrodiffusion .
Il est à noter que suivant les configurations de mesure, la fibre optique centrale 31 peut également être utilisée pour collecter la lumière en rétrodiffusion .
Les premières fibres optiques 30 peuvent également comprendre une pluralité de fibres optiques latérales 32 placées à égale distance, deux-à- deux, de la fibre optique centrale 31. Cette configuration permet de faire des mesures d'homogénéité en rétrodiffusion, en comparant les signaux reçus par des fibres optiques latérales 32 situées à égale distance de part et d'autre de la fibre optique centrale 31. En effet, les variations entre les signaux issus de ces fibres 32 peuvent être pour l'essentiel attribuées aux inhomogénéités locales (présence de particules, ...) du fluide dans la zone de mesure. Alternativement, cette configuration peut permettre d'améliorer la détection en rétrodiffusion par rapport aux inhomogénéités du fluide, en moyennent les signaux issus des fibres optiques latérales 32 situées à égale distance de part et d'autre de la fibre optique centrale 31.
Les secondes fibres optiques 40 comprennent au minimum une fibre optique centrale 41 pour collecter la lumière en transmission.
Elles peuvent également comprendre une ou plusieurs fibre(s) optique(s) latérale(s) 42 placée(s) à proximité de la fibre optique centrale 41, pour faire des mesures de diffusion, ou de profils de diffusion, à petits angles. En effet, l'angle de mesure (par rapport à l'axe d'illumination qui correspond à l'axe optique 21) d'une fibre optique latérale 42 dépend de la distance entre la fibre optique centrale 41 et cette fibre optique latérale 42.
Cette configuration permet de faire des mesures d'homogénéité en transmission, en comparant les signaux reçus par des fibres optiques latérales 42 situées à égale distance de part et d'autre de la fibre optique centrale 41. En effet, les variations entre les signaux issus de ces fibres 42 peuvent être pour l'essentiel attribuées aux inhomogénéités locales (présence de particules, ...) du fluide dans la zone de mesure. Alternativement, cette configuration peut permettre d'améliorer la détection en transmission ou à petits angles par rapport aux inhomogénéités du fluide, en moyennent les signaux issus des fibres optiques latérales 42 situées à égale distance de part et d'autre de la fibre optique centrale 41.
Les troisièmes fibres optiques 50 comprennent au minimum une fibre optique 51 pour collecter la lumière perpendiculairement à l'axe optique de mesure 21.
Elles peuvent comprendre en outre une pluralité de fibres optiques 52 réparties le long d'une ligne parallèle à l'axe optique de mesure 21. Cette configuration peut notamment être utilisée pour faire des mesures de profils de diffusion à grands angles, dans la mesure chacune de ces fibres optiques 50 collecte la lumière issue d'un centre de diffusion dans le fluide sous un angle différent (par rapport à l'axe d'illumination qui correspond à l'optique 21). Les troisièmes fibres optiques 50 peuvent également être utilisées pour faire de l'imagerie du fluide qui circule en défilement dans la cavité de mesure. Elles peuvent être êtres mises en œuvre sous la forme d'une nappe, ce qui permet d'obtenir un nombre élevé de points de mesure. Chaque fibre 50 constitue un pixel, et une image des particules du fluide peut être formée, par exemple avec un détecteur linéaire, en utilisant le défilement du fluide (lequel défilement est guidé grâce à la forme des première et seconde branches 3, 4) pour créer la deuxième dimension de l'image.
Bien entendu, ce mode d'imagerie peut être mis en œuvre sur une même sonde et avec les mêmes fibres 50 que celles utilisées pour faire des mesures de diffusion ou de profil de diffusion.
A titre d'exemple non limitatif, dans le mode de réalisation présenté,
- le corps de la sonde a un diamètre de 25 mm et une longueur de 100 mm ;
- la cavité de mesure 10 a une longueur utile 20 de 4 mm ;
- la sonde est adaptée pour effectuer des mesures dans des fluides avec une turbidité jusqu'à 12000 UTN ;
- les fibres optiques 23 comprennent 9 fibres optiques en silice à faible teneur en ions OH, de bande passante 350-2500nm et de diamètre 220pm ainsi que 6 fibre de diamètre 300pm pour la détection, et 7 fibres optiques pour l'illumination. Ces fibres optiques 23 sont terminées par des connecteurs de type SMA au niveau de l'interface de liaison 5.
Suivant des variantes de modes de réalisation, le corps 2 de la sonde peut comprendre deux parties séparables :
- selon un exemple présenté à la Fig. 1, les branches 3, 4 et la cavité de mesure 10 peuvent être sur un élément amovible 6 vissé ou fixé par tout autre moyen sur une partie arrière 7 du corps 2. Dans ce cas, l'élément amovible 6 peut inclure les moyens optiques de couplage, tandis que la partie arrière 7 du corps 2 peut inclure les fibres optiques 23, dont les extrémités sont maintenues solidaires du corps 2 par un élément de maintien. Il est ainsi possible de changer la cavité de mesure 10, par exemple pour des raisons de maintenance ou pour utiliser différentes cavités de mesure avec des configurations ou des longueurs 20 de parcours dans le fluide différentes ;
- selon un autre exemple présenté à la Fig. 6, le corps 2 peut comprendre une partie externe 71 qui comprend la cavité de mesure 10 et les moyens optiques de couplage. Cette partie externe 71 est conçue de telle sorte à pouvoir être fixée sur une enceinte par exemple. Le corps 2 comprend alors également une partie interne 70 qui comprend les fibres optiques 23. Cette partie interne 70 peut être insérée dans la partie externe 71 comme dans un fourreau et retirée sans risque de perte d'étanchéité ou de contamination de l'enceinte. Il est ainsi possible de remplacer les fibres optiques 23, par exemple pour utiliser différentes configurations de fibre 23 ou pour effectuer différents types de mesure à différentes longueurs d'onde sans démonter la sonde.
Bien entendu, les deux possibilités peuvent être combinées, pour réaliser une sonde dont le corps 2 comprend une partie externe 71 avec une extrémité 6 (comprenant la cavité de mesure et les moyens optiques de couplage) démontable, et un fourreau interne 70 amovible avec les fibres optiques.
Suivant des variantes de mode de réalisation, les moyens optiques de couplage peuvent comprendre des lentilles ou des microlentilles 24 qui permettent d'optimiser le couplage avec les fibres optiques 23. Ils peuvent également comprendre des filtres, par exemple de type passe bande ou coupe-bande (« notch ») pour application en spectroscopie Raman ou de fluorescence).
Suivant des variantes de mode de réalisation, la sonde 1 peut comprendre une voie de référence pour permettre une mesure de l'intensité de l'éclairement hors de la cavité de mesure 10. Dans ce cas, la sonde peut comprendre un coupleur inséré sur une fibre optique 23 prévue pour l'éclairement, telle que la première fibre optique centrale 31. Ce coupleur prélève une fraction de la lumière qu'il retourne au moyen d'une fibre optique vers l'instrumentation couplée à la sonde 1. Ainsi, la mesure est effectuée au plus près de la cavité de mesure 10 et tient compte des pertes dans la sonde, par exemple au niveau des connecteurs optiques.
Suivant des variantes de mode de réalisation, en référence à la Fig. 5, les troisièmes fibres optiques 50 peuvent comprendre en outre une seconde ligne ou une seconde nappe de fibres optiques 53 sensiblement parallèle à l'axe optique de mesure 21. Pour des applications d'imagerie, une première ligne de fibres 52 peut être utilisée pour la mesure, et la seconde ligne peut être utilisée pour l'illumination. Les troisièmes moyens de couplage optique peuvent comprendre en outre une lentille cylindrique 60 pour améliorer les performances en imagerie, dans les configurations avec une seule ligne de fibres optiques 52 ou avec deux lignes de fibres optiques 52, 53.
Suivant des variantes de modes de réalisation, en référence à la Fig. 6, les fenêtres 11 peuvent être d'épaisseur variable en fonction de la position le long d'un diamètre ou d'une dimension transversale. Elles peuvent être placées dans les première et seconde branches 3, 4 de sorte que leurs faces en contact avec le fluide ne soient pas parallèles. Cette configuration de la sonde 1 permet d'effectuer des mesures en transmission, éventuellement simultanément, avec des longueurs de mesure 20 dans le fluide différentes en fonction des fibres optiques utilisées. Cela peut permettre par exemple d'utiliser la sonde sur une plus grande gamme de valeurs de turbidité, ou de réaliser des mesures en transmission pour différentes épaisseurs de fluide.
Dans ce mode de réalisation, il est possible de mettre en œuvre par exemple les configurations de mesures suivantes :
- illumination par une première fibre optique centrale 31, et mesures en transmission aux même petits angles par deux secondes fibres optiques latérales 42, avec à chaque fois un trajet 62 dans le fluide correspondant à une longueur de mesure 20 différente ;
- illumination par deux premières fibre optique latérales 32, et mesures en transmission respectivement par les deux secondes fibres optiques latérales 42 faisant face aux premières fibre optique latérales 32 d'illumination, avec à chaque fois un trajet 61 dans le fluide correspondant à une longueur de mesure 20 différente.
Bien entendu, la sonde 1 dans le mode de réalisation de la figure 6 peut comprendre des troisièmes fibres optiques 50 et des troisièmes moyens optiques de couplage selon les modes de réalisation présentés aux Fig. 4 et Fig. 5.
Suivant des variantes de modes de réalisation, une sonde 1 peut comprendre des premiers et des seconds moyens de couplage avec au moins deux fenêtres 11, disposées côte à côte sur les premières et secondes branches 4, 5, et agencées de telle sorte à former :
- un premier jeu de fenêtres 11 avec leurs interfaces avec le fluide parallèles, tel qu'illustré à la Fig. 4, et - un second jeu de fenêtres 11 avec leurs interfaces avec le fluide non parallèles, tel qu'illustré à la Fig. 5.
Les deux fenêtres côte à côte peuvent également être réalisées dans un même élément transparent 11.
Suivant des variantes de mode de réalisation, les fenêtres 11, 12 des moyens de couplage peuvent être réalisées sous la forme d'une fenêtre unique, par exemple semi-circulaire.
Suivant des modes de réalisation, le corps 2, la partie distale 6 du corps 2 avec les branches 3, 4 et la cavité de mesure 10, ou les branches 3, 4 peuvent être réalisés dans un matériau transparent, tel que du quartz ou du verre de saphir. Les fenêtres 11 peuvent alors être partie intégrantes de cet élément transparent corps 2. Dans ce cas, les moyens optiques de couplage sont au moins partiellement inclus dans le corps 2 et/ou les première et seconde branches 4, 5.
Suivant des variantes de mode de réalisation, la sonde 1 peut comprendre des fibres optiques 23 de différents diamètres suivant leurs positions, afin par exemple d'optimiser le rapport signal sur bruit de l'ensemble.
Systèmes de mesure
En référence à la Fig. 7, nous allons maintenant décrire des modes de mise en œuvre de la sonde 1 et des systèmes de mesure mettant en œuvre cette sonde 1.
De manière générale, un système de mesure qui met en œuvre la sonde 1 comprend en outre une ou plusieurs sources d'illumination 71, et des moyens de détection 74.
De manière optionnelle, il peut comprendre des moyens de commutation optique 72, manuels ou contrôlés par ordinateur, qui permettent de relier différentes sources d'illumination 71, et/ou différents moyens de détection 74, à différentes fibres optiques 23.
Pour un grand nombre d'applications, la sonde 1 est configurée de telle sorte à procurer un point d'illumination par la première fibre optique centrale 31 et au moins trois points de mesure :
- en rétrodiffusion (à 180 degrés), par une première fibre optique centrale 31 et/ou au moins une première fibre optique latérale 32. Si la première fibre optique centrale 31 est utilisée en rétrodiffusion, le système comprend en outre un coupleur ou un circulateur pour séparer l'illumination et le signal de rétrodiffusion ;
- à 90 degrés, par au moins une troisième fibre 51,
- en transmission (à zéro degrés), par la seconde fibre optique centrale 41.
Bien entendu, des mesures d'homogénéité et/ou de diffusion à petits angles peuvent également être mises en œuvre comme décrit précédemment.
Pour des applications en spectroscopie UV, visible ou infrarouge proche, la source d'illumination 73 couplée à la fibre optique centrale 31 peut être par exemple une lampe halogène, une lumière monochromatique accordable, ou un laser Blanc (supercontinum de lumière blanche).
Pour ce type de mesure, les moyens de détection 74 comprennent un spectrophotomètre. Ce spectromètre peut comprendre un seul canal de mesure, et être couplé séquentiellement par des switchs optiques 72 aux fibres optiques 23 qui collectent les signaux. Un spectrophotomètre multicanaux ou une caméra hyperspectrale peut également être utilisé pour traiter au moins une partie des mesures simultanément.
Si le fluide a une turbidité de l'ordre de 0 UTN (absence de turbidité), la mesure en transmission permet d'obtenir le spectre de ce fluide.
Si le fluide devient turbide, les trois positions fournissent une information utile. La mesure en transmission fournit une information spectrale plus corrélée à la chimie du liquide tandis que les mesures à 90 degrés et en rétrodiffusion fournissent une information relative aux éléments en suspension dans le liquide (particules solides, cellules, gouttes d'huile,...). La turbidité, la taille moyenne de particule et/ou leur densité peuvent également être obtenues de cette manière avec un spectrophotomètre 73. Enfin, la théorie de la diffusion (simple ou multiple) peut être utilisée suivant le niveau de diffusion : technique des deux sphères d'intégration, équations de Kubelka Munk, diffraction de Fraunhofer, théorie de Mie....
Les mêmes types de configuration de la sonde 1 peuvent être utilisés pour des mesures de fluorescence. L'excitation se faisant par la première fibre optique centrale 31, les mesures donnent accès respectivement à la fluorescence frontale de l'échantillon (fibre 32), la fluorescence à 90° (fibre 51), et la fluorescence en transmission (fibre optique 41). Il est à noter que la mesure à 90° (fibre 51) permet d'éviter l'effet du rayonnement d'excitation sur la mesure. En outre, la possibilité d'effectuer des mesure de fluorescence frontale en transmission ou à 90° permet d'optimiser la sensibilité aux particules ou au liquide en suspension.
Les mêmes types de configuration de la sonde 1 peuvent être utilisés pour faire de la spectroscopie Raman/Cars. L'excitation laser se faisant par la première fibre optique centrale 31, les mesures donnent accès respectivement au spectre Raman en rétrodiffusion (fibre 32), au spectre Raman à 90° (fibre 51), et au spectre Raman en transmission (fibre optique 41). Il est à noter que la mesure à 90° (fibre 51) permet d'éviter l'effet du rayonnement d'excitation sur la mesure. En outre, la mesure de spectre Raman à différents angles peut permettre une meilleure séparation de l'effet Raman par rapport à l'effet de fluorescence.
Comme expliqué précédemment, la sonde 1 peut comporter également une dizaine de points de mesure (typiquement entre 10 et 20, voire 30) répartis entre les premières, les secondes et les troisièmes fibres optiques 30, 40, 50. Ce type de configuration permet d'obtenir des mesures à une multitude d'angles différents.
Le moyen le plus efficace de réaliser la mesure est alors de faire une acquisition simultanée des signaux en connectant par exemple les fibres de mesure 30, 40, 50 à un spectromètre parallèle 74. Un tel spectromètre peut par exemple comprendre un détecteur matriciel dont les colonnes correspondent aux différentes voies de mesure ou fibres optiques 23, et sur lequel les spectres correspondants sont enregistrés selon les lignes.
Comme précédemment l'illumination peut être de différents types selon que l'on veuille faire de la spectroscopie UV, visible, proche infrarouge, Fluorescence ou Raman.
Les configurations de sonde avec une pluralité de points de mesure permettent une meilleure évaluation de l'effet de la diffusion. En effet, le profil de diffusion peut être mesuré de manière beaucoup plus précise à différents angles. Il peut même être possible d'effectuer des mesures granulométriques in situ.
Elles donnent aussi la possibilité d'effectuer des mesures d'homogénéité du liquide, pour voir si un mélange de solutions est homogène par exemple. Pour cela il suffit de comparer les spectres des mesures effectuées aux mêmes angles. Par exemple une mesure d'homogénéité peut être obtenue en comparant les mesures des premières ou des secondes fibres optiques secondaires 32, 42 situées d'un côté de la fibre centrale 31 ou 41 avec celles des premières ou des secondes fibres optiques secondaires 32, 42 situées de l'autre côté. La détection d'inhomogénéite peut se faire en comparant les spectres entre eux par division ou par analyse en composante principale (détection des inhomogénéités par détection des observations aberrantes, ou « outliers » en Anglais).
Il est à noter que l'homogénéité peut aussi être obtenue en éclairant le fluide par une troisième fibre 50 et en comparant les signaux obtenus par les premières et les secondes fibres optiques 30, 40 ;
Comme expliqué précédemment, la sonde 1 peut également être utilisée pour réaliser de l'imagerie en ligne. En effet si le nombre de troisièmes fibres optiques 50 est suffisamment important (par exemple de l'ordre de 15 à 20) et la vitesse d'acquisition suffisamment rapide, le système peut produire une image en associant les mesures simultanées.
L'éclairage peut être issu d'une première fibre centrale 31, de certaines des troisièmes fibres 51, 52, ou d'une seconde ligne de troisièmes fibres d'éclairage 53. L'éclairage peut également être à une longueur d'onde d'excitation pour effectuer une imagerie de fluorescence.
Un détecteur linéaire 74 peut être notamment utilisé. La forme de la sonde facilitant un écoulement laminaire, le passage du liquide permettra un balayage uniforme gage d'une image de bonne qualité.
Un spectromètre parallèle 74 peut également être utilisé pour produire des images hyperspectrales, ou une pluralité d'images à différentes longueurs d'onde.
Les possibilités de mesure permettent de mettre en œuvre différent types de traitement en fonction des informations recherchées.
Dans le cas des mesures multipoints à différents angles, le signal peut être traité notamment :
- pour obtenir des mesures de turbidité, en effectuant des ratios entre les mesures à 90 degrés et en transmission, ou entre des mesures à 90 degrés et à d'autres angles ;
- ou en appliquant la théorie de la granulométrie laser, en analysant la forme du diagramme de diffraction à partir de mesures aux petits angles et grands angles. Une autre méthode basée sur le traitement statistique des données peut aussi être mise en œuvre afin de séparer les composantes des signaux de mesure représentatifs des caractéristiques physiques de particules en suspension dans le fluide, des mesures chimiques. Cette méthode est décrite dans le document de J .-M . Roger, F. Chauchard, V. Bellon-Maurel, « EPO-PLS external parameter orthogonalisation of PLS application to temperature- independent measurement of sugar content of intact fruits », Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems 66 (2003) 191-204.
En effet, le signal à 90° et en rétrodiffusion est fortement corrélé au signal des particules, mais il contient aussi l'information chimique du fluide.
Afin de supprimer cette information parasite, l'approche suivante est mise en œuvre :
Dans un premier temps, une analyse en composante principale est calculée sur les spectres en transmission. Ces spectres contiennent en majorité l'information du liquide. Les composantes principales sont alors utilisées pour définir un opérateur de projection .
Les spectres obtenus en rétrodiffusion et à 90 degrés sont alors traités de la manière suivante :
- La partie contenant l'information chimique du fluide est calculée en multipliant le spectre par l'opérateur de projection ;
- La partie contenant l'information sur les particules est calculée en effectuant la soustraction du spectre brut par le spectre multiplié par le l'opérateur de projection .
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif sonde (1) de mesure optique pour effectuer des mesures spectrométriques et/ou photométriques dans un fluide,
comprenant un corps (2) apte à être immergé dans ledit fluide, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- au moins une première et une seconde branches (4, 5) s'étendant à l'extrémité dudit corps (2) dans son prolongement et délimitant une cavité de mesure (10),
- une pluralité de fibres optiques (23) insérées dans ledit corps (2) et aptes à être reliées à des moyens optiques d'illumination (73) et/ou de détection (74),
- des moyens optiques de couplage (11, 12, 22, 60) aptes à transmettre de la lumière entre au moins une partie desdites fibres optiques (23) et la cavité de mesure (10), comprenant (i) des premiers moyens optiques de couplage (11, 22) débouchant dans la cavité de mesure (10) au niveau de la première branche (3), (ii) des seconds moyens optiques de couplage (11, 22) débouchant dans la cavité de mesure (10) au niveau de la seconde branche (4), et (iii) des troisièmes moyens optiques de couplage (12, 60) débouchant dans la cavité de mesure (10) au niveau du fond de ladite cavité.
2. La sonde de la revendication 1, qui comprend en outre des branches (3, 4) en forme d'ailettes permettant de contrôler un flux de liquide circulant dans la cavité de mesure (10), de telle sorte à le rendre sensiblement laminaire et à le comprimer pour diminuer l'effet parasite des bulles de gaz.
3. La sonde de l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le corps (2) a un diamètre inférieur à 26 mm.
4. La sonde de l'une des revendications précédentes, dans laquelle la longueur de mesure (20) dans la cavité de mesure (10) est adaptée à la réalisation de mesures dans des milieux dont la turbidité est supérieure à 1000 UTN.
5. La sonde de l'une des revendications précédentes, dans laquelle la longueur de mesure (20) dans la cavité de mesure (10) est variable le long des première et seconde branches (4, 5).
6. La sonde de l'une des revendications précédentes, dans laquelle les premiers et/ou les seconds moyens optiques de couplage incluent un réflecteur à angle droit (22) et une fenêtre (11) en matériau au moins partiellement transparent.
7. La sonde de l'une des revendications précédentes, dans laquelle le corps (5) comporte des parties séparables dont :
- une première partie (7, 70) incluant les fibres optiques (23), et
- une seconde partie (6, 71) comprenant les premières et secondes branches (4, 5) et la cavité de mesure (10), et incluant les moyens optiques de couplage (11, 12, 22, 60).
8. La sonde de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre une première fibre optique centrale (31) ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiques de couplage (22, 11), et une seconde fibre optique centrale (41) ayant une extrémité couplée avec les seconds moyens optiques de couplage (22, 11), lesquelles premières et secondes fibres optiques centrales (31, 41) définissant un axe optique de mesure (21) dans la cavité (10).
9. La sonde de la revendication 8, qui comprend en outre :
- au moins une fibre optique latérale (32) ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiques de couplage (22, 11) et placée à proximité de l'extrémité de la première fibre optique centrale (31), et/ou
- au moins une fibre optique latérale (42) ayant une extrémité couplée avec les seconds moyens optiques de couplage (22, 11) et placée à proximité de l'extrémité de la seconde fibre optique centrale (41).
10. La sonde de l'une des revendications 8 ou 9, qui comprend en outre : - au moins deux fibres optiques latérales (32) ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiques de couplage (22, 11), lesquelles extrémités étant placées sensiblement à égale distance de l'extrémité de la première fibre optique centrale (31), et/ou
- au moins deux fibres optiques latérales (42) ayant une extrémité couplée avec les premiers moyens optiques de couplage (22,11), lesquelles extrémités étant placées sensiblement à égale distance de l'extrémité de la seconde fibre optique centrale (41).
11. La sonde de l'une des revendications précédentes, qui comprend en outre une pluralité de fibres optiques (50) ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage (12, 60), lesquelles extrémités étant disposées selon au moins une ligne s'étendant entre la première et la seconde branches (3, 4).
12. La sonde de la revendication 11, qui comprend une pluralité de fibres optiques (50) ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage (12, 60), lesquelles extrémités étant disposées selon deux lignes s'étendant entre la première et la seconde branches (3, 4).
13. La sonde de l'une des revendications 11 ou 12, dans laquelle les troisièmes moyens optiques de couplage comprennent en outre au moins une lentille cylindrique (60).
14. Système de mesure optique comprenant une sonde (1) selon l'une des revendications précédentes, et des moyens optiques d'illumination (73) et/ou de détection (74) externes à la sonde et reliés aux fibres optiques (23) de ladite sonde.
15. Le système de mesure optique selon la revendication 14, qui comprend en outre des moyens optiques de commutation (72) aptes à relier des moyens optiques d'illumination (73) et/ou des moyens optiques de détection (74) à différentes fibres optiques (23).
16. Le système de mesure optique de l'une des revendications 14 ou 15, qui comprend en outre au moins une source de lumière (73) reliée à une première fibre optique centrale (31), et des moyens de détection (74) de l'un des types suivants : spectromètre, spectromètre Raman, caméra hyperspectrale, reliés à au moins l'une des fibres suivantes : seconde fibre optique centrale (41), fibre(s) optique(s) latérale(s) (32, 42), fibre(s) optique(s) (50) couplée(s) avec les troisièmes moyens optiques de couplage ( 12, 60) .
17. Le système de mesure optique de l'une des revendications 14 ou 15, qui comprend en outre une source de lumière (73) reliée à au moins une fibre optique (50) ayant une extrémité couplée avec les troisièmes moyens optiques de couplage ( 12, 60), et un détecteur (74) de l'un des types suivants : détecteur matriciel, détecteur ligne, spectromètre multicanaux, relié à une pluralité de fibres optiques (50) ayant une extrémité couplée avec lesdits troisièmes moyens optiques de couplage ( 12, 60) .
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