Photomètre à double faisceau pour la mesure de la concentration de solutions
La présente invention se rapporte à un photomètre à double faisceau, destiné à mesurer la concentration d'une solution d'une substance dans un solvant, comprenant un dispositif optique capable d'engendrer, à partir de la lumière émise par une source primaire, deux faisceaux lumineux distincts qui sont délimités chacun par un diaphragme et qui se rencontrent en un point de convergence, un premier de ces faisceaux traversant un échantillon de cette solution et le second un échantillon de ce solvant, ces deux échantillons étant situés entre ces diaphragmes et ce point de convergence, un dispositif de déplacement permettant de déplacer l'origine de ce pre minier faisceau le long de l'axe de celui-ci de manière à modifier le flux lumineux traversant le diaphragme qui lui est affecté,
un dispositif monochromateur délimitant le spectre de la lumière que ces deux faisceaux transmettent à ce point de convergence, cette délimitation étant la même pour chacun d'eux, un dispositif obturateur interrompant alternativement la lumière transmise par l'un et l'autre de ces deux faisceaux et un élément photosensible situé en ce point de convergence et convertissant les flux lumineux qu'il reçoit alternativement de chacun de ces faisceaux en un signal électrique contenant une composante alternative.
Dans certains photomètres à double faisceau on détermine la position de la source mobile qui donne lieu à l'égalité des signaux délivrés par deux éléments photosensibles, dont l'un reçoit le faisceau émergeant de la solution et l'autre le faisceau émergeant du solvant, et on repère cette position, qui correspond donc à l'égalité de l'intensité lumineuse de ces deux faisceaux, sur une échelle disposée le long de la trajectoire de déplacement de cette source. Cette échelle peut être une échelle graduée linéairement en unités de longueur, auquel cas la détermination de la concentration nécessite une conversion subséquente de la lecture de position à l'aide d'un tableau ou d'un diagramme de conversion.
L'échelle peut aussi être graduée directement en concentration, auquel cas la graduation n'est pas linéaire car l'intensité lumineuse des faisceaux incidents dépend de l'inverse du carré de la distance des échantillons à la source alors que l'intensité des faisceaux émergeant dépend exponentiellement de la concentration.
Certains photomètres n'utilisent qu'un seul élément photosensible. Ils sont alors munis de moyens optiques destinés à faire tomber alternativement les deux faisceaux, celui qui a traversé le solvant et celui qui a traversé la solution, sur cet unique élément photosensible.
Celui-ci délivre alors un signal qui, aussi longtemps que les intensités de ces deux faisceaux sont inégales, comprend une composante alternative, laquelle disparaît lorsque l'égalité d'intensité est atteinte.
Lorsque le fonctionnement d'un tel photomètre doit être rendu automatique, comme c'est le cas lorsqu'il doit être incorporé dans une chaîne automatique d'analyse, notamment pour certaines analyses de sang entreprises en grande série dans les services d'hygiène publique, on ne peut donc pas se contenter de lui adjoindre un dispositif automatique de lecture de position en s'abstenant de faire subir à ce signal la conversion requise pour qu'il soit proportionnel à la concentration. Si le photomètre possède une échelle graduée directement en concentration, la non-linéarité de cette graduation fait que la précision de lecture de cette échelle n'est pas constante sur toute la gamme des concentrations couverte.
Dans un cas comme dans l'autre, on éprouve des difficultés pour le traitement automatique, à l'aide de calculateurs, de l'information que représente le signal indiquant l'égalité des intensités transmises par les deux faisceaux au moment où il y a équilibre.
Le photomètre qui fait l'objet de la présente invention élimine ces inconvénients et est à même de délivrer à l'équilibre un signal qui est proportionnel à la valeur de la concentration mesurée et qui possède une précision indépendante de la valeur mesurée. Ce photomètre est caractérisé par le fait que ledit dispositif de déplacement comprend une came qui agit sur l'origine du faisceau traversant ladite solution et qui est mue par un moteur électrique alimenté par ledit élément photosensible à travers un circuit électronique capable de détecter et d'amplifier ette composante alternative et de faire tourner ce moteur dans un sens tel que le déplacement de cette origine ait pour effet de rendre égaux les flux que cet élément photosensible reçoit de chacun de ces deux faisceaux,
par le fait que le profil de cette came possède une forme rendant la valeur de son déplacement sensiblement proportionnelle à celle de concentration de ladite solution, et par le fait que ce moteur électrique est muni d'un capteur de rotation capable de délivrer un signal électrique proportionnel à l'angle dont a tourné ce moteur, le tout constituant un photomètre autocompensateur permettant de mesurer cette concentration avec une précision constante dans toute la gamme de mesure.
La description qui va suivre se rapporte à deux formes de réalisation, données à titre d'exemple, du photomètre conforme à l'invention. Elle est illustrée par le dessin annexé, dans lequel:
La fig. 1 représente un schéma de principe de l'appareil.
La fig. 2 est une vue en plan de la première forme de réalisation.
La fig. 3 est une coupe longitudinale de cette première forme de réalisation, selon la ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 3A est une vue en plan d'un élément de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue en plan de la deuxième forme de réalisation.
La fig. 5 est une coupe d'un élément de la fig. 4, selon la ligne V-V de cette dernière.
La fig. 6 représente un schéma électrique relatif à un circuit commun aux deux formes de réalisation.
Conformément au schéma de principe représenté à la fig. 1, le photomètre comprend:
deux compartiments 1, 2 qui sont disposés côte à côte et dans lesquels sont produits, à partir d'une source lumineuse 3, deux faisceaux lumineux 4, 5 confinés dans ces compartiments, les sorties de ces compartiments étant situées aux extrémités adjacentes de ceux-ci et étant constituées par deux diaphragmes 6, 7;
- un déviateur optique 23, par exemple un prisme pourvu de deux surfaces réfléchissantes 24, 25 et capable de renvoyer dans le compartiment 1 la lumière 26 que la source 3 émet dans la direction opposée au diaphragme 6 de son compartiment, cette lumière émise vers l'arrière constituant le faisceau 5, alors que la lumière émise vers l'avant constitue le faisceau 4;
;
deux lentilles collimatrices 8, 9 situées derrière ces deux diaphragmes pour rendre parallèles les faisceaux 4a, 5a issus de ceux-ci;
deux cuvettes optiques 10, 1 1 dont l'une, la cuvette 11, est destinée à recevoir un solvant et l'autre, la cuvette 10, une solution constituée par une substance dissoute dans ce solvant et dont on veut mesurer la concentration, ces cuvettes étant disposées de manière à être traversées chacune par un de ces faisceaux 4a, 5a;
- un détecteur optique capable de comparer entre elles les intensités des faisceaux 4b, 5b issus de ces cuvet- tes et de détecter leur égalité;
;
- un monochromateur 18 qui est interposé sur ces faisceaux pour conférer à chacun d'eux une même distribution spectrale, limitée dans une étroite gamme de longueurs d'onde et qui est agencé de manière que la longueur d'onde centrale de cette gamme puisse être variée à volonté;
- et un mécanisme de déplacement 13, par exemple un moteur 30 qui actionne une came 31, permettant de faire varier, sous l'effet de ce détecteur optique la distance entre cette source lumineuse 3 et ces diaphragmes 6, 7 jusqu'à ce que les intensités des faisceaux 4b, 5b issus de ces cuvettes soient égales.
Le détecteur optique peut comprendre un prisme 14 capable de faire converger les deux faisceaux 4b, 5b issus des cuvettes 10, 1 1 vers un élément photo-électrique 15, et un obturateur 16 capable d'interrompre alternativement et cycliquement l'un puis l'autre de ces faisceaux, de manière que cet élément photo-électrique délivre un signal comprenant une composante périodique, qui oscille à une fréquence dépendant de la cadence de fonctionnement de cet obturateur, et une composante continue; la composante périodique, qui s'annule lorsque l'égalité desdites intensités est atteinte, est utilisée, après avoir été séparée de la composante continue et amplifiée par un circuit électronique 19, pour commander ledit mécanisme de déplacement 13.
Le profil de la came 31 a une forme telle que son déplacement dans le sens de la flèche 21 soit sensiblement proportionnel à la concentration, bien que le déplacement de la source ne puisse l'être, puisque l'intensité des faisceaux 4a et 5a dépend de l'inverse du carré des distances de la source aux diaphragmes 6 et 7, respectivement, alors que l'intensité du faisceau émanant de la cuvette contenant la solution dépend de la concentration selon une loi exponentielle. Etant donné le profil de la came 31, on peut donc assimiler tout signal proportionnel à son déplacement dans le sens de la flèche 21, par exemple le nombre de révolutions exécutées par le moteur 30 pour faire ce déplacement, à une mesure de la valeur de la concentration de la solution, et cela avec une précision constante sur toute la gamme de mesure qu'autorise l'appareil.
Les dispositions suivantes sont prises pour compenser la différence des chemins optiques parcourus par les faisceaux 4 et 5 depuis la source 3 jusqu'à l'entrée des cuvettes 10 et 11, respectivement, lorsque cette source se trouve dans sa position éloignée du diaphragme 6, position qui correspond à une concentration nulle de la solution se trouvant dans la cuvette 10:
:
- Si les diaphragmes 6, 7 ont des diamètres identiques, les surface réfléchissantes 24, 25 du déviateur optique 23 sont agencées de manière à créer une légère collimation du faisceau 5;
- Si les surfaces réfléchissantes 24, 75 du déviateur optique 23 sont planes, le diamètre du diaphragme 7 correspondant au chemin optique long du faisceau 5 est légèrement supérieur au diamètre du diaphragme 6 correspondant au chemin optique court du faisceau 4.
La position axiale du déviateur optique 23 peut être variée, dans la direction de la flèche 22, grâce à un montage coulissant 27, pour permettre d'obtenir, lorsque les cuvettes contiennent toutes deux du solvant, l'égalité des intensités des faisceaux sortant de ces dernières (ajustage du zéro).
Dans la forme de réalisation représentée aux fig. 2 et 3, on reconnait les compartiments 1 et 2, la source mobile 3 qui est guidée dans une glissière 20, le système optique 23 destiné à renvoyer dans le compartiment 1 le faisceau 26 émis vers l'arrière par la source 3, les diaphragmes 6, 7, les lentilles 8, 9, les cuvettes 10, il destinées à recevoir la solution (cuvette 10) et le solvant servant de témoin (cuvette 11), le filtre monochromateur 18, l'élément photosensible 15 et l'obturateur rotatif 16.
Les compartiments 1 et 2 sont agencés de manière que leurs axes optiques, qui coïncident avec ceux des faisceaux 4 et 5, soient obliques et convergent au point de convergence 28 en lequel est placé l'élément photosensi hie 15. Cette disposition oblique des axes optiques des compartiments 1 et 2 évite d'avoir à recourir à un convergeur (tel que le convergeur 14 de la fig. 1) pour faire tomber les faisceaux sur l'élément photosensible 15.
Le mécanisme de compensation 13, qui est logé audessous des compartiments 1, 2, comprend un plateau 35 (fig. 3A) capable de tourner autour de son axe 36 et pourvu d'un sillon 37 en forme de spiral. Un système funiculaire, constitué par un câble 38 passant sur des poulies 39 disposées de manière que son brin 40 soit parallèle à la coulisse 20; ce câble est attaché d'une part, par son brin 40, à un coulisseau 41 qui est guidé par cette coulisse 20 et sur lequel est montée la source 3, et d'autre part à un curseur 42 coopérant avec le sillon 37. Le plateau 35 et son sillon 37 jouent donc le rôle d'une oame rotative à double effet (came forcée) qui impose à la source 3, par l'intermédiaire du système funiculaire à câble 38, le déplacement requis le long de l'axe du faisceau 4.
Ce plateau est entraîné, par l'intermédiaire d'un engrenage 43, par le moteur 30, alimenté luimême par le circuit électronique 19. Le moteur 30 est équipé d'un capteur de rotation 44 qui délivre, sur une ligne de sortie 45 ion signal électrique proportionnel à l'angle de rotation dont tourne le moteur, donc à la position angulaire du plateau 35. Dans cette forme de réalisation, c'est donc le profil du sillon 37 qui est choisi de manière à assurer la relation linéaire voulue entre la concentration de la solution et le déplacement exécuté par la came jusqu'à la position correspondant au point d'équilibre (ici le déplacement angulaire du plateau 35).
Dans la forme de réalisation qui est représentée aux fig. 4 et 5, la source principale est reportée à l'extérieur des compartiments l et 2, ainsi que l'obturateur. Ces deux éléments sont combinés en une unité autonome enfermée dans un boîtier 51. L'obturateur prend la forme d'une cloche dont la paroi latérale 52 est ajourée de fenêtres 53 et qui tourne autour d'une source principale constituée par une lampe 50. Cette cloche peut en outre être avantageusement utilisée pour ventiler et refroidir la lampe 50 et pour cela, son fond est muni d'ailettes 54. Entre la lampe 50 et la cloche 52 sont placées des lentilles collimatrices 55, 56 qui concentrent la lumière issue de part et d'autre de la lampe 50 sur les extrémités de deux guides de lumière 57, 58 formés chacun d'un faisceau de fibres souples conductrices de la lumière.
Ces extrémités sont fixées au boîtier 51 alors
que les autres extrémités des guides 57, 58 pénètrent
dans les compartiments 1, 2 à travers des douilles 59, 60
qui sont axées vers les lentilles 8, 9. Ces extrémités sont
munies de lentilles terminales 61, 62 qui ont pour rôle
de faire diverger la lumière sortant des deux guides 57,
58; ces lentilles constituent de ce fait des sources secon
daires qui sont les origines des faisceaux 4 et 5 respecti
vement.
La partie terminale du guide de lumière 57, partie terminale qui engendre le faisceau 4 destiné à traver
ser la solution, est prise dans un manchon 63 capable de coulisser dans la douille 59 fixée au compartiment 2 et c'est ce manchon 63 que meut le dispositif de déplacement, par exemple un système funiculaire à came forcée analogue à celui qui a été décrit à propos des fig. 2, 3 et 3A (plateau 35 pourvu du sillon en spirale 37 et câble 38 dont un brin est parallèle à l'axe commun de la douille 59 et du manchon 63). Le dispositif de déplacement est entraîné par le moteur 30 alimenté par le circuit électro- nique 19 et équipé du capteur de rotation 44, ce dernier délivrant, sur la ligne de sortie 45, le signal proportionnel à la rotation du plateau, donc à la concentration de la solution 10.
Pour des raisons d'ajustage, notamment pour le réglage du zéro, il y a avantage à monter le socle de la lampe 50 sur une glissière 49 qui permet de déplacer quelque peu cette lampe entre les lentilles 55, 56.
On voit que le fonctionnement de chacune des formes de réalisation décrites est le même: la composante alternative du signal délivré par l'élément photo-électrique 15 alimente le moteur 30, lequel actionne la came 35, 37 déplaçant la source constituant l'origine du faisceau 4 (qu'il s'agisse de la source primaire 3 ou de la source secondaire 61) jusqu'à ce que cette composante alternative s'annule. Cette annulation est atteinte lorsque l'accroissement d'intensité du faisceau incident 4a qui tombe sur la solution 10 a compensé la diminution d'intensité subie, du fait de l'absorption, par le faisceau 4b émanant de cette solution.
Le capteur de rotation 44 délivre un signal représentatif du déplacement que l'origine du faisceau a dû effectuer pour que cette compensation soit réalisée et, du fait du profil de la came 37, ce signal est proportionnel à la concentration. On a donc, en fait, un photomètre à double faisceau doué d'une faculté d'autocompensation grâce à la boucle d'asservissement que constitue le circuit électronique 19, le moteur 30, et la came 35, 37 agissant sur la source primaire 3 ou sur la source secondaire 61, qui engendre le faisceau servant à l'analyse photométrique.
Si l'on ne veut pas transmettre à distance le signal représentant la concentration, on peut remplacer le capteur de rotation 44 par un compteur imprimant, voire par un compte-tour à lecture visuelle.
Quant au circuit électronique 19, sa réalisation ne pose pas de problème particulier à l'homme de métier.
Compte tenu des fonctions qu'il doit remplir, il existe plusieurs manières de le réaliser. La fig. 6 donne, à titre d'exemple, une possibilité parmi d'autres. Les impulsions engendrées par l'élément photosensible 15 lesquelles traduisent successivement les intensités des faisceaux 4b et 5b arrivent par la ligne 70; elles sont triées et acheminées sur deux voies différentes 74, 75 grâce à deux portes électroniques 71, 72 qui sont elles-mêmes commandées par une bascule 73 actionnée par des signaux provenant, par une ligne 76, de l'obturateur 16.
Ces signaux sont
synchrones des obturations et peuvent être engendrés par un système de contacts (non représentés) montés sur l'arbre de l'obturateur; à l'arrivée de chacun de ces
signaux, la bascule 73 passe d'un de ses états d'équilibre
à l'autre, ce qui ouvre et ferme alternativement les por
tes 71, 72. De cette manière, les impulsions traduisant
l'intensité du faisceau 4b sont transmises sur la voie 74
et celles qui traduisent l'intensité du faisceau 5b sont
transmises sur la voie 75. Des redresseurs 77, 78 élabo
rent les valeurs moyennes de ces impulsions, lesquelles
sont comparées à l'aide d'un comparateur 79 qui en éla
bore la différence. Cette différence est amplifiée par un amplificateur 80 dont la sortie est reliée au moteur 30 par une ligne 81.