Appareil de mesure de la proportion d'une substance sorbée par une matière
La présente invention a pour objet un appareil de mesure de la proportion d'une substance sorbée par une matière. Un tel appareil peut servir à mesurer la quantité d'eau qui a été absorbée ou adsorbée par du papier, produit par exemple par une machine à papier.
L'appareil peut également être destiné à la mesure de l'épaisseur de revêtements, de taux d'humidité de courants de gaz, de la proportion d'eau dans les hydrocarbures etc.
Les jauges d'humidité destinées à mesurer la teneur en eau d'une matière en feuille telle que du papier fabriqué à la machine sont bien connues. En général, ces jauges comprennent une source de rayonnement infrarouge qui émet ledit rayonnement dans deux bandes spectrales. La première bande est dans la région de 1,8 micron et arrive sur le papier et la proportion de rayonnement transmis ou réfléchi par le papier est fonction de certains paramètres dudit papier.
Il est connu que dans le cas d'une bande spectrale dans la région de 1,8 micron, cette région du spectre est à peu près insensible à la teneur en eau du papier.
Cependant, cette source de rayonnement émet également un rayonnement dans la région de 1,94 micron, qui se trouve dans la bande d'absorption de l'eau contenue dans le papier. Par conséquent, la proportion de rayonnement infrarouge qui est transmise ou réfléchie pour une longueur d'onde de 1,94 micron est fonction de la quantité d'eau dans le papier.
En général, I'intensité du rayonnement infrarouge reçu après atténuation par la feuille de papier est mesurée par un détecteur, par exemple au sulfure de plomp. Une variation de l'intensité du rayonnement reçu fait varier l'impédance (ou résistance) du détecteur.
Il est connu qu'en faisant intervenir la loi de Beer qui indique que la proportion de rayonnement qui passe à travers, ou est réfléchie, par une feuille de papier est fonction respectivement de ses coefficients d'absorption, de réflexion et de diffusion liés à la présence d'eau dans le papier, on peut établir une équation concernant la proportion d'eau. Cette équation destinée à déterminer la proportion pondérale d'eau fait intervenir le rapport des résistances des détecteurs sous l'action successive de deux bandes spectrales différentes. Cette équation contient des exponentielles et est loin d'être linéaire. Cette nonlinéarité est aggravée par le fait que, comme indiqué ci-dessus, cette équation comprend deux paramètres indépendants, à savoir les impédances du détecteur sous l'influence, respectivement, des rayonnements de 1,8 micron et de 1,94 micron.
Dans les dispositifs de la technique antérieure, l'éclairement d'un détecteur unique alternativement par deux rayonnements de longueurs d'onde différentes était obtenu en utilisant un découpeur qui transmet au système un faisceau de référence sur 1,8 micron et ensuite un faisceau de mesure de 1,94 micron, tous deux dans l'infrarouge.
La manipulation d'une équation non linéaire compliquée étant très difficile si l'on veut la résoudre exactement, les dispositifs connus comportaient des approximations. En d'autres termes, on admettait des linéarités qui, en fait, n'existaient pas. Par conséquent, la précision des dispositifs connus est assez médiocre.
D'autres défauts des jauges d'humidité connues sont la tendance à la dérive de la jauge, résultant de dérives des circuits électroniques et de changements intéressant le détecteur d'infrarouge. Un autre défaut est constitué par les vibrations de la feuille en cours de mesure, c'est-à-dire les mouvements verticaux du papier s'éloignant ou se rapprochant du détecteur, ce qui provoque des erreurs de mesure.
Puisque les jauges connues comportent, comme exposé ci-dessus, des approximations en ce qui concerne leur linéarité, leur plage de mesure de la teneur en humidité est très limitée. De plus, elles sont incapables de contrôler des qualités assez lourdes de papier à cause des compromis de la réalisation optique nécessaires pour corriger les changements d'intensité des faisceaux infra-rouges parvenant du détecteur, pro voqués par les vibrations.
L'invention a pour but de créer un appareil perfectionné pour mesurer la proportion d'une substance associée à une matière de base et notamment la proportion d'eau dans une matière en feuille, qui supprime les effets de la dérive de l'appareillage électronique et des détecteurs, ainsi que les effets des vibrations de la feuille, et qui comporte une plage étendue de mesure du taux d'humidité et est capable de contrôler des papiers assez lourds.
Conformément à l'invention, l'appareil est caractérisé en ce qu'il comporte une source de rayonnement qui émet une première bande spectrale de rayonnement qui arrive sur ladite matière mais se trouve en dehors d'une bande d'absorption de ladite substance et qui émet une seconde bande spectrale qui se trouve à l'intérieur d'une bande d'absorption par résonance de ladite substance, un ensemble détecteur réagissant aux intensités des bandes spectrales qui sont réfléchies, ou transmises, par la matière pour engendrer un signal électrique proportionnel à la quantité de substance présente, ledit ensemble détecteur comportant un premier détecteur réagissant à la première bande spectrale et un second détecteur réagissant à la seconde bande spectrale, lesdits détecteurs ayant des caractéristiques de réponse semblables,
L'appareil comportant en plus un séparateur de faisceaux pour renvoyer le rayonnement provenant de la source sur les premier et second détecteurs, et un dispositif d'étalonnage automatique constitué par des éléments intercalés entre source de rayonnement et le séparateur de faisceaux pour simuler la matière lorsqu'elle est dans des états où elle ne contient pratiquement pas, ou bien contient une quantité déterminée, de la substance, des moyens pour intercaler entre le second détecteur et le séparateur de faisceaux un atténuateur simulant sensiblement tout au moins la présence d'une quantité connue de la substance à mesurer, et des éléments pour calibrer à une valeur normale le signal de sortie électrique engendré par la quantité connue de la substance.
Des formes de réalisation de l'appareil objet de l'invention seront décrites, à titre d'exemple, en se référant au dessin sur lequel
la fig. 1 représente schématiquement une forme de réalisation de l'appareil objet de l'invention qui explore la matière à étudier,
la fig. 2 est une vue en coupe transversale détaillée à grande échelle d'une partie de l'appareil de la fig. 1,
la fig. 3 est une vue en coupe détaillée à grande échelle d'une autre part de l'appareil de la fig. 1, la fig. 4 est une vue en plan suivant la ligne 4 aI de la fig. 3,
la fig. 5 est un schéma fonctionnel des circuits représentant le circuit de commande de l'appareil,
la fig. 6 est une courbe caractéristique d'un détecteur utilisé dans l'appareil,
la fig. 7 est une partie du circuit de la fig. 5 redessinée sous forme simplifiée pour représenter le fonctionnement dudit circuit,
la fig.
8 est un schéma d'une autre partie des circuits de la fig. 5, également redessiné pour représenter le fonctionnement du circuit,
la fig. 9 est un schéma simplifié du système optique de l'appareil
la fig. 10 représente des courbes caractéristiques utiles pour la compréhension, et
la fig. 11 est une représentation simplifiée du système optique, accentuant certaines caractéristiques nouvelles.
Une caractéristique d'une feuille fabriquée par une machine à papier peut être mesurée en montant un détecteur de rayonnement et une source de rayonnement sur un chariot et en balayant la matière en feuille perpendiculairement à sa direction d'avance dans la machine (dans le sens en travers). La fig. 1 représente schématiquement un tel système dans lequel une feuille 10 est représentée se déplaçant dans la direction indiquée par la flèche, tandis que la feuille 10 est explorée par une source 1 1 de rayonnement infrarouge qui irradie la face inférieure de la feuille 10, le rayonnement transmis étant ensuite détecté par un détecteur d'infrarouge placé de l'autre côté de la feuille 10. La source 11 et le détecteur 12 se déplacent dans les deux sens perpendiculairement au plan du dessin et donc à la direction du mouvement de la feuille 10.
Bien que la fig. 1 représente un système par transmission, on peut également prévoir un système du type par réflexion dans lequel la source et le détecteur d'infrarouge sont tous deux du même côté du papier, le détecteur mesurant la lumière réfléchie à la place de la lumière transmise.
La source d'infrarouge 1 1 est représentée plus en détail sur la fig. 2. Une source S constituée par une lampe à filament de tungstène (par exemple du type
General Electric Q.GA/T4DCR, 200 W) émet un rayonnement dans les bandes spectrales respectivement dans les régions de 1,8 micron et 1,94 micron. Un miroir M1 renvoie le rayonnement à travers les lentilles L1 et L2 du condensateur, en passant par un filtre anti-calorique 13, sur la feuille 10. Tous les composants de la source et du système optique sont contenus dans un boîtier 14 qui est séparé de l'environnement extérieur par une fenêtre en verre 16. Un ventilateur de refroidissement 17 réduit l'échauffement provoqué par la lampe S.
Un filtre anti-calorique 13 arrête également la chaleur afin d'empêcher l'inflammation de la feuille 10 pendant les arrêts de la machine à papier. Le système optique lui-même est décrit ci-après plus en détail.
La fig. 3 représente plus en détail le détecteur 12 d'infrarouge. Le rayonnement infrarouge transmis par la feuille 10 est détecté par les détecteurs D1 et D2.
Ce faisceau infrarouge est séparé en deux faisceaux par un miroir M2 constitué par plusieurs couches d'un diélectrique. Un faisceau est dirigé vers le détecteur D1 et l'autre vers le détecteur D2. Entre le détecteur D1 et le miroir M2 se trouve un filtre à bande étroite 18 dont la longueur d'onde médiane est dans la région de 1,94 micron. Par conséquent, le détecteur D1 réagit à l'eau contenue dans la feuille 10 ainsi qu'aux caractéristiques d'absorption de la feuille 10. De même, le faisceau infrarouge du détecteur D2 est filtré par le filtre 19 qui permet, en pratique, le passage du rayonnement infrarouge dans la seule région de 1,8 micron.
Le rayonnement de cette longueur d'onde est influencé par les caractéristiques d'absorption de la feuille 10, exactement comme par le rayonnement de longueur d'onde 1,94 micron, mais n'est pas affecté par l'humidité contenue dans la feuille 10 et, par conséquent, sert d'étalon de référence. Un filtre d'arrêt 15 intercalé entre la feuille 10 et le miroir M2 empêche le rayonne ment en dehors des régions intéressantes de pénétrer dans le système optique et de parvenir aux détecteurs.
Le système optique destiné à orienter le faisceau infrarouge comprend un objectif L3 et deux lentilles
L4B et L5B d'un condensateur sur le trajet de D2 et des lentilles L4A et L5A sur le trajet de D1. De plus, un atténuateur réglable Al est intercalé sur le trajet du faisceau infrarouge entre la feuille 10 et le miroir M2 et un second atténuateur réglable A2 est intercalé sur le trajet du faisceau infrarouge entre M2 et le détecteur
D1. La fig. 4 représente la configuration des atténuateurs Al et A2. Ces atténuateurs sont constitués par un disque tournant comportant divers filtres 22 de coefficient d'atténuation différents. Un moteur associé 23 fait tourner le disque 21 de l'atténuateur Al et un moteur associé 24 fait tourner celui de l'atténuateur
A2.
Sur le schéma fonctionnel de la fig. 5, les détecteurs D1 et D2 sont représentés sous forme de résistances dont les impédances varient en fonction de l'intensité du rayonnement reçu dans la bande de fréquences particulière pour laquelle le détecteur considéré réagit. Ainsi, on indique que le détecteur D1 réagit à la longueur d'onde de 1,94 micron de manière à mesurer l'absorption de l'humidité contenue dans le papier, plus celle du papier lui-même et le détecteur
D2 réagit au rayonnement de 1,8 micron, qui est influencé identiquement par la présence du papier et est pratiquement insensible à l'action de l'eau.
Les deux détecteurs ont sensiblement des caractéristiques identiques à celles représentées sur la fig. 6 sous forme d'une courbe indiquant en ordonnées la résistance du détecteur en fonction de l'intensité du rayonnement reçu porté en abscisses. Ce détecteur est en général du type au sulfure de plomb. Cependant, ce détecteur peut n'être adapté qu'approximativement.
Une faible désadaptation d'impédance peut être corrigée par un ajustement de l'appareillage électronique associé. Toute désadaptation par une dérive thermique est empêchée par les procédés de stabilisation de la température décrits ci-après. Des valeurs typiques de la résistance sont portées en ordonnées. La courbe caractéristique de la fig. 6 met aussi en évidence les difficultés d'emploi d'un tel détecteur dans un système de mesure. Plus précisément, la forte non-linéarité de la courbe provoque des erreurs dans le système, en particulier quand on détermine le rapport des impédances des deux détecteurs pour engendrer un signal électrique indiquant la quantité absolue d'humidité dans la feuille
10.
Comme cela est évident d'après cette courbe, il serait théoriquement avantageux d'utiliser les deux détecteurs avec un point de fonctionnement identique indiqué en 26 ou de les y maintenir et d'utiliser les détecteurs autour de ce point dans une portion à peu près linéaire de la caractéristique. Le point 26 servirait ainsi de point de référence stable. Comme on l'explique ci-après, le présent appareil permet d'obtenir ce résultat souhaitable.
Par contre, avec les jauges d'humidité de la technique antérieure, le point de mesure sur la caractéristique du détecteur était par inhérence instable à cause des vibrations de la feuille. Ces vibrations font varier l'intensité du rayonnement reçu et par conséquent déplacent le point de fonctionnement du détecteur.
Cette difficulté est également aggravée par le fait que les mesures sont effectuées successivement en n'employant qu'un seul détecteur avec un découpeur pour diriger alternativement les rayonnements infrarouges de deux longueurs d'onde différentes sur un détecteur unique. Par conséquent, à un instant déterminé, par exemple quand on procède à la mesure de référence pour 1,8 micron, le point de fonctionnement se trouve en un endroit déterminé de la courbe et à l'instant suivant, pendant la mesure à 1,94 micron par le détecteur, une variation de la densité optique ou une vibration de la feuille de papier peut modifier l'intensité reçue et, par conséquent, déplacer le point de fonctionnement.
Par suite, un dispositif de réglage est incorporé (fig.
5), pour maintenir constantes les intensités du rayonnement reçu dans la bande de 1,8 micron (ou première bande spectrale) en agissant sur l'intensité des sources de rayonnement.
Selon la fig. 5, le détecteur D2 fait partie d'un pont qui comprend trois résistances R, deux amplificateurs opérationnels 27 et 28, un soustracteur 29 et une source 31 de courant alternatif haute fréquence, formant ainsi un ensemble en pont 32 représenté plus en détail sur la fig. 7. Le détecteur D2 représenté également par la résistance R18, est représenté, sur la fig. 7 relié directement à la source de signal 31 puisque, comme le représente la fig. 5, une borne de ce détecteur est reliée à un amplificateur opérationnel 30 dont une entrée est reliée à la masse, qui est en principe une masse fictive pour cette borne du détecteur.
Le pont fonctionne comme suit (voir fig. 7). I1 comprend quatre branches dont l'une comprend le détecteur D2 et l'autre trois résistances R de même valeur. Les deux entrées de l'amplificateur opérationnel 28 sont branchées en parallèle sur une résistance R et un générateur 31 de tension Ec, branchés en série. De même, les deux entrées d'un amplificateur opérationnel 27 sont branchées en parallèle sur l'ensemble d'un détecteur D2 et d'un générateur 31 branchés en série. Les deux autres branches du pont comportent une extrémité couplée à une entrée des amplificateurs opérationnels tandis que l'autre est reliée à la sortie desdits amplificateurs. Ces sorties sont également reliées au soustracteur 29. En activité, le circuit en pont 32 produit une tension d'erreur à la sortie du soustracteur 29 chaque fois que la résistance référence.
Les amplificateurs opérationnels 27 et 28 du détecteur D2 s'écarte de celle des résistances R de l'amplificateur 27 est déterminée par l'équation:
R + Rl,8
EF = EG (1) R1,3
La tension de sortie EE de l'amplificateur 28 est donnée par
R+R
EE = EG (2)
R
Par conséquent, la tension totale à la sortie du circuit soustracteur 29 est déterminée par la différence EF-EE, à savoir:
R+Rg8 R+R EF-EE= = ----- - ---- . Eu (3)
R.8 R
Il est évident d'après l'équation (3) que la tension de sortie du soustracteur 29 sera nulle si la valeur ohmique Rt 8 est exactement égale à celle de la résistance de référence R.
De plus, l'examen de l'équation (3) montre que si la valeur ohmique de la résistance du détecteur D2 est inférieure à la valeur ohmique de la résistance engendreée par le soustracteur 29 et si elle est supérieure à la valeur ohmique de la résistance de référence, une tension de polarité opposée apparaîtra.
Par conséquent, le pont 32 émet un signal de signe correspondant à celui de son déséquilibre.
Si l'on passe alors au reste du circuit de la fig. 5, ledit signal de déséquilibre du pont produit par le soustracteur 29 est amplifié par un amplificateur 33 et transmis à un discriminateur de phase 34 qui est synchronisé par un signal provenant de l'oscillateur 31 en passant par le tampon 36 en série. Le discriminateur de phase 34 engendre une tension continue qui représente la phase et l'amplitude du signal d'erreur. Cette tension continue est transmise à un intégrateur 37 luimême raccordé à un amplificateur 38 de commande de la lampe qui régule la source de rayonnement ou lampe S. Par conséquent, I'intensité du rayonnement émis par la source S est commandée par le signal d'erreur émis par le pont 32.
Plus précisément, la boucle de régulation comprend un pont 31 dans lequel les résistances R servent d'éléments de référence et un intégrateur 37 qui réagit au signal d'erreur. L'utilisation de l'intégrateur 37 permet de réaliser une boucle de régulation du premier ordre du fait qu'aucun signal d'erreur n'est présent dans le système, par opposition à un système d'ordre zéro qui est un système à commande de position et dans lequel un signal d'erreur d'amplitude plus ou moins grande existe en permanence.
La résistance R de référence par rapport à laquelle on compare Rt a est déterminée par les caractéristiques du détecteur représenté sur la fig. 6 et le point de fonctionnement 26 choisi pour lui sur la courbe de la fig.
6. Il va de soi qu'il doit normalement se trouver sur une portion linéaire de la courbe. Une valeur représentative de R serait, par exemple, 85 000 ohms.
Avec le système de régulation décrit ci-dessus pour maintenir le point de fonctionnement ou l'impédance du détecteur D2 invariable, le point de fonctionnement du détecteur D1 représenté sur la fig. 5 est également maintenu en un point semblable de sa caractéristique.
Les détecteurs D1 et D2 sont tous deux du même type et ont des caractéristiques semblables, si bien que du fait de la régulation de la source S de rayonnement infrarouge. Le détecteur D1 fonctionnera également de part et d'autre d'un point de repos fixe de sa caractéristique. Par conséquent, toute variation de l'intensité du rayonnement reçu résultant de vibrations de la feuille de papier 10 ou de la formation de dépôt sur celle-ci ou d'une dérive des circuits électroniques, est immédiatement et automatiquement corrigée par le système de régulation associé au pont 32 et au détecteur
D2.
L'emploi d'un système à fréquence porteuse et plus particulièrement à une fréquence élevée de l'ordre de 40 kHz, par exemple, émise par l'oscillateur 31 fait fonctionner le système bien au-delà des fréquences de bruit caractéristique de la plupart des semi-conducteurs. Ceci est à comparer aux dispositifs de la technique antérieure dans lesquels, par exemple, une fréquence de découpage de 18 Hz se trouve en plein dans la région de niveau de bruit élevé des semi-conducteurs. De plus, les fréquences voisines de 40 kHz sont idéales pour l'amplification par semi-conducteur.
Pour une précision prédéterminée du système, les lois de rayonnement imposent un intervalle maximal de températures de fonctionnement de la source S, de manière à maintenir le rapport des énergies émises.
respectivement, à 1,8 et 1,94 micron constant entre des limites prédéterminées. Pour empêcher que la lampe M1 ne soit alimentée au-delà de sa plage admissible de fonctionnement, un capteur limiteur 39 pour lampe règle l'intensité reçue du rayonnement émis par la lampe, à l'aide de l'atténuateur Al de réglage (fig.
3). Cet atténuateur constitué par un disque tournant affaiblit l'intensité du flux reçu en provenance de la lampe dans des proportions fixes prédéterminées. Le disque tournant 21 de l'atténuateur Al est commandé par un interrupteur pas à pas 41 qui est actionné par le capteur 39 limiteur pour lampe, par l'intermédiaire des basculeurs 42 et 43 couplés respectivement aux circuits intersection 44 et 45. Le circuit intersection 44 provoque une avance de l'atténuateur et le circuit intersection 45 un retour en arrière. Si la limite, inférieure ou supérieure, de tension est atteinte pour la lampe S, l'amplificateur 38 de commande de la lampe agit sur le capteur 39 limiteur pour la lampe qui positionne à son tour les basculeurs 42 ou 43 pour rendre actifs les circuits intersection 44 ou 45 et pour rendre actif un circuit réunion 47.
Ceci provoque l'émission d'un signal d'alarme étalonné qui est transmis à un organe de traitement central de l'information (non représenté) qui donne lui-même l'ordre au dispositif de balayage de s'écarter de la feuille et transmet ensuite par le conducteur 48 un signal étalonné aux circuits d'intersection 44 et 45. Suivant le sens dans lequel la limite a été dépassée, le commutateur pas à pas est mis en action en conséquence. Comme on l'explique ciaprès, la totalité du circuit doit être réétalonnée quand on intercale un filtre nouveau, avec une courbe d'absorption différente.
Par conséquent, comme on vient de le voir, le système de commande associé au pont 32 maintient invariables les points de fonctionnement respectifs des détecteurs D1 et D2. Comme l'indique la fig. 5, le détecteur D1 qui est sensible à la quantité d'eau dans la feuille 10 réalise, associé à D2 par l'intermédiaire du rapport de leurs impédences respectives modifiées par le rayonnement infrarouge, une mesure de la quantité absolue d'eau contenue dans la matière étudiée. Cette mesure est mise en oeuvre en même temps que la régulation de l'intensité de la source lumineuse, afin de maintenir invariable le point de fonctionnement en des points semblables des caractéristiques desdits détecteurs.
En d'autres termes, le pont 32 et sa boucle de commande associée réalisent une mesure absolue de l'impédance du détecteur D2 tandis qu'on utilise en même temps la variation de résistance de D1 pour effectuer une mesure de rapport en vue de l'émission d'un signal électrique d'amplitude proportionnelle à la quantité absolue d'eau dans la matière.
La fig. 8 est un schéma simplifié d'une partie de la fig. 5 qui représente un pont de mesure 52 de rapport qui comprend des détecteurs D1, D2, un amplificateur opérationnel inverseur 30, un soustracteur 53 raccordé à la sortie de l'amplificateur 30 et un amplificateur séparateur 54 de gain unité. Le circuit du pont mesureur 52 de rapport comprend également un oscillateur 31 de tension EG.
En activité, le circuit en pont 52 engendre une tension de sortie Sortie appliquée au soustracteur 53, qui est proportionnelle aux variations du rapport des valeurs ohmiques des résistances D1 et D2 du détecteur, désignées par R1,04 et Rt8. Plus précisément, l'amplificateur 30 est du type opérationnel inverseur, ayant une tension de sortie Ex déterminée par
R1,94
Ex = ' Eentrée (4) Rl8 relation dans laquelle Entrée est la tension d'entrée provenant du générateur 31.
L'amplificateur séparateur 54, de gain unité, émet une tension de sortie Ey telle que:
Ey = Entrée (5)
Par conséquent, la tension de sortie résultante du soustracteur 53 est donnée par:
EMI5.1
<tb> <SEP> R1,94
<tb> Esortie <SEP> = <SEP> 1 <SEP> - <SEP> <SEP> Ecotrée <SEP> (6)
<tb> <SEP> Rut,8 <SEP>
<tb>
En examinant l'équation (6), il est manifeste que la tension de sortie contient une information concernant le rapport des impédances des détecteurs D1 et D2, fournissant ainsi des informations indiquant la quantité absolue d'eau dans la feuille 10.
Cependant, si l'on emploie l'amplificateur 54 séparateur à gain unité associé à l'amplificateur 30 opérationnel inverseur, la tension de sortie E sortie est proportionnelle aux variations du rapport et non au rapport lui-même. On obtient ce résultat en retranchant 1 (1 unité) du rapport de manière à laisser subsister seulement la variation du signal sous forme de tension de sortie effecqive. En d'autres termes, l'information concernant le rapport est un faible écart par rapport à l'unité. Par conséquent, si ce rapport varie de 1000 à 1,001 il est avantageux de mesurer seulement la différence 0,001 et non le nombre complet lui-même. La soustraction de l'unité de 1,001 laisse seulement subsister l'écart de 0,001 qui peut ensuite être amplifié et traité en conséquence. On réalise ainsi un ensemble beaucoup plus fiable et précis.
De plus, il est évident que la mesure du rapport ne réagit absolument pas sur le signal de correction susmentionné emis par le point 32 afin d'ajuster l'intensité de la source de rayonnement. Ce résultat est obtenu en partie grâce à la séparation effective du circuit en pont 32 du circuit en pont 52 par l'amplificateur opérationnel 30, qui dans le cas du circuit en pont 32, établit une masse fictive.
Un amplificateur opérationnel faisant partie du circuit en pont 52 tient compte de la résistance du détecteur D2 pour fournir le rapport demandé. De plus, l'ajustement de l'intensité du rayonnement émis par la source S ajuste également le point de fonctionnement effectif sur la caractéristique du détecteur D1 et le maintient invariable en dépit des vibrations et des variations de la densité optique de la feuille 10, sans influer sur la mesure de rapport effectuée par le pont 52.
Si l'on se reporte à nouveau à la fig. 5, la tension de sortie Eout du soustracteur 53 est transmise à un amplificateur à fréquence intermédiaire (IF) 56.
Celui-ci amplifie les oscillations à 40 kHz provenant du générateur 31. Cette fréquence est démodulée par le démodulateur synchrone 57 qui transforme l'amplitude de la porteuse en une tension continue. Cette amplitude constitue une mesure directe du poids de l'eau contenue dans le papier et est transmise à une machine de traitement de l'information (non représentée). Le démodulateur synchrone 57 est commandé par un circuit tampon 58 couplé à l'oscillateur 31.
Le présent appareil est auto-adaptateur en ce sens qu'il peut être étalonné de manière à fournir une gamme invariable de tension de sortie pour divers poids de papier et d'humidité. Ceci est obtenu par un dispositif de régulation du gain de l'amplificateur IF en utilisant le circuit d'entrée dénommé régulation du gain par gamme et par un signal de régulation du gain de statisme appliqué à un amplificateur 59 intercalé entre le soustracteur 53 et le détecteur D1.
La commande 59 de gain de statisme permet d'ajuster le point de fonctionnement (ou de repos) pour la mesure, de manière à pouvoir employer toute portion de la courbe caractéristique du détecteur. Ainsi par exemple, on peut, en utilisant les diverses commandes de gain décrits ci-dessus, calibrer le gain du système de façon à obtenir une tension de sortie nulle en l'absence d'humidité ou de substances étrangères dans la matière faisant l'objet de la mesure et par exemple de 10 V correspondant à un pourcentage arbitrairement choisi d'eau dans le papier. En d'autres termes, la tension de sortie du démodulateur 57 appliquée à la machine de traitement de l'information est calibrée à une valeur normalisée de façon que la tension de sortie puisse être transforméee directement en indication concernant l'humidité. Cette indication pourrait évidemment correspondre à la quantité absolue d'eau.
Pour fournir des informations concernant l'humidité relative. la mesure du poids du support ou du poids réel du papier doit être effectuée par une seconde jauge, ladite information concernant le poids du support permet de calculer la teneur relative en humidité quand elle est combinée avec la teneur absolue en humidité dans la machine de traitement de l'information.
La fig. 9 représente plus en détail le système optique qui a été représenté en liaison avec la source d'infra-rouge et le détecteur sur les fig. 1, 2 et 3. Les éléments optiques sont désignés par les mêmes références ou légendes que sur les fig. 2 et 3, la source de lumière S constituant une source de rayonnement concentré par les lentilles L1 et L2 du condensateur sur la feuille 10. Une image de la tache de lumière infrarouge sur la feuille 10 est formée sur le détecteur D1 par la lentille convergente L3, la lentille de champ
L4 et la lentille convergente L5. On a représenté un seul détecteur D1 sur le dessin. Théoriquement, avec une adaptation appropriée, l'appareil peut être mis en oeuvre avec un seul détecteur au fulsure de plomb.
Ceci fait intervenir une commutation complexe et dans la forme de réalisation préférée, décrite en liaison avec la fig. 11, on utilise un système à deux faisceaux.
Les vibrations de la feuille 10 sont indiquées par la flèche 61 à deux pointes. Ces vibrations ont une amplitude normalement comprise entre + 6 mm environ avec une machine normale pour la fabrication du papier.
Du point de vue optique, les vibrations de la feuille 10 provoquent des variations d'intensité du rayonnement infrarouge reçu par le détecteur Dl, comme l'indique la famille de courbes de la fig. 10. Sur cette figure l'axe des ordonnées correspond à l'intensité du signal reçu par le détecteur D1 de rayonnement infrarouge et l'axe des abscisses indique l'amplitude du déplacement ou des vibrations de la feuille dans les sens positif et négatif.
Il ressort de l'examen de ces courbes que lorsqu'une augmentation de sensibilité ou de rendement est obtenue par le système optique (ce qui permet d'augmenter la souplesse de l'ensemble pour les mesures de papier lourd), la non-linéarité du système optique augmente. Les diverses courbes A, B, C et D sont obtenues par des modifications de la structure du système optique à savoir, des variations du diamètre des lentilles, des longueurs focales et de la position de la feuille 10 par rapport au boîtier de la source et du ou des détecteurs.
Le système optique employé permet d'obtenir les bandes spectrales à 1,8 et 1,94 micron à partir d'une lampe S associée à un miroir concave M1 qui forme l'image renversée de l'élément constitutif de la lampe à l'emplacement même dudit élément. Les deux lentilles L1 et L2 formant condensateur forment une nouvelle image agrandie de l'élément actif de la lampe à proximité du plan de la feuille 10. Puisque cette feuille agit comme un diffuseur, elle se comporte en fait comme une nouvelle source d'énergie pour le système optique du détecteur. Par conséquent, on choisit la dernière lentille L1 et L2 de la source de manière à l'adapter avec la première lentille L3 du système détecteur.
Le système optique est étudié de manière à réaliser un compromis entre le rendement optique et l'insensibilité aux vibrations de la feuille. Ceci est évidemment rendu possible par le système de régulation à réaction, décrit à propos de la fig. 5, qui corrige les variations de l'intensité du rayonnement infrarouge reçu provoqué par les vibrations. En d'autres termes, le système à réaction dont le principe a été décrit ci-dessus aplatit dans une certaine mesure une courbe choisie arbitrairement de la fig. 10, par exemple la courbe B ou C. Par conséquent, on peut choisir une courbe telle que B ou C qui permet d'augmenter l'efficacité du système optique pour permettre à l'ensemble de mesurer les papiers dont le support est plus lourd et la non-linéarité résultante du système optique est corrigée par le système de régulation à réaction qui ajuste l'intensité de la source de rayonnement.
En d'autres termes, le système optique peut être choisi de façon à augmenter la sensibilité par rapport à un système optique dans lequel on ne peut tolérer aucune non-linéarité et qui oblige à employer, par exemple, une courbe plate D qui correspond à une très faible tension de signal.
Le système optique représenté sur la fig. 9 compense également tout déplacement latéral de la tache de lumière infrarouge formée sur la feuille 10, qui peut être, par exemple de * 1,25 mm. On obtient ce résultat en utilisant une lentille de champ L4 dont le diamètre est au moins égal à celui de l'image formée sur elle par la lentille convergente L3 plus deux fois le déplacement maximal possible de la tache lumineuse sur la feuille 10. En d'autres termes, le diamètre effectif de la lentille de champ L4 est supérieur à la tolérance admise pour le déplacement latéral de la tache de lumière infrarouge sur la feuille 10. La lentille L4 est choisie et placée de manière à former une image de la pupille d'entrée du système optique, dont le diamètre est égal à celui de la lentille convergente L3.
L'ensemble de la lentille L4 et de la lentille convergente L5 forme alors une image de L3 dans le plan du détecteur D1. Par conséquent, les déplacements latéraux de la tache de lumière sur la feuille 10 n'entraînent pas de déplacements latéraux de l'image formée sur le détecteur puisque la relation entre L3 et le détecteur D1 est fixée et que le détecteur reçoit en fait l'image produite par L3 et non la tache de lumière sur la feuille 10.
Puisque, comme on l'a vu ci-dessus, les principes de fonctionnement du présent système exigent que l'on face fonctionner les détecteurs D1 et D2 avec leur impédance de fonctionnement optimale, il faut incorporer un dispositif de calibrage pour permettre d'effectuer des mesures sur divers types et qualités de matière ou de papier en feuille. Cette opération de calibrage est en général effectuée à l'extérieur de la feuille, à l'extrémité de chaque course de balayage des têtes 11 du détecteur et 12 de la source. En général, pour réaliser un calibrage, l'intensité du rayonnement doit être comparable à celle qui existe quand la jauge mesure effectivement l'eau présente sur la feuille 10.
Si l'on passe à la fig. 11 qui est un schéma simplifié des têtes contenant la source et le détecteur représentées sur les fig. 2 et 3, des atténuateurs optiques Al et A2 sont intercalés sur le trajet du faisceau infrarouge de la manière indiquée. Plus précisément, le miroir M2 envoie des fractions importantes et sensiblement égales de l'énergie reçue dans les diverses régions du spectre de l'objectif L3 en direction des détecteurs D1 et D2, respectivement. L'atténuateur Al comporte alors un disque absorbant 22 (voir fig. 4) qui est spectralement neutre (a des caractéristiques optiques constantes) dans la région des longueurs d'onde intéressantes. En d'autres termes il englobe les longueurs d'onde de 1,8 et de 1,94 micron.
L'atténuateur Al simule le papier ou la matière réellement mesuré, supposé parfaitement sec.
L'atténuateur particulier employé peut être constitué par une grille en métal, ou une mince pellicule de métal, déposée sur un support transparent dans la gamme de longueur d'onde susmentionnée, tel que le quartz. La calculatrice de traitement de l'information commence le réglage de l'atténuateur Al pour intercaler sur le trajet des rayons un atténuateur de caractéristiques appropriées pour que l'intensité du rayonnement atteignant les détecteurs, soit sensiblement égale à l'intensité du rayonnement que la qualité de papier mesurée à l'instant considéré permettrait d'obtenir tout en obligeant en même temps l'intensité de la lampe et par conséquent sa température de fonctionnement, à être sensiblement égales à la température que la qualité de papier faisant actuellement l'objet d'une mesure exigerait, de manière à satisfaire ainsi aux conditions imposées par la loi de Planck.
Puisque le filtre Al est à l'intérieur du boîtier du détecteur il est protégé contre les souillures, les poussières, la corrosion etc.
Un second atténuateur A2 est intercalé entre le détecteur et le miroir séparateur de faisceaux M2 et simule au moins une quantité connue d'eau ou de substance présente dans la matière à mesurer. Ce serait normalement la quantité maximale. L'atténuateur A2 comporte plusieurs filtres qui simulent divers taux d'humidité de manière à permettre à l'utilisateur du système ou à la calculatrice de commande de mettre en place ledit atténuateur de caractéristiques appropriées.
Si on le désire, on peut intercaler un second filtre dans l'atténuateur A2 de manière à obtenir une seconde référence pour le calibrage en humidité relative, si bien que le signal de sortie calibré peut représenter plu sieurs taux d'humidité supérieurs à une valeur arbitraire différente de zéro. Ceci est particulièrement intéressant dans le cas de ce qu'on appelle l'extrémité humide de la machine à papier, quand on désire obtenir une gamme calibrée de taux d'humidité compris entre, par exemple, 60 et 80 /o au-delà de l'échelle totale d'un dispositif d'affichage, par exemple un enregistreur.
En activité, le système de calibrage exige qu'on intercale un atténuateur A1 pour obtenir la gamme d'utilisation appropriée. Quand cela est fait, on calibre le système de la manière étudiée ci-dessus à propos de la fig. 5, de manière à obtenir une tension nulle, par exemple, à la sortie du démodulateur 57. On obtient ce résultat en agissant sur la régulation du gain pour chaque gamme de l'amplificateur IF 56 ou sur la commande de gain de statisme 59 du soustracteur 53.
Ensuite, on ajuste l'atténuateur A2 de manière qu'il corresponde au poids maximal ou à la proportion pondérale maximale d'eau dans le papier et la tension de sortie pour cette valeur peut être ajustée, par exemple, à -10V. A partir de la connaissance préalable des caractéristiques du détecteur qui sont mémorisées dans une calculatrice associée, on peut alors comparer la valeur de la tension à celle correspondant à un poids précalibré d'eau dans le papier. Ainsi, par ajustement ou calibrage, même si la proportion d'humidité à détecter est relativement faible on peut obtenir une atténuation très faible par l'atténuateur A2 laquelle permet d'augmenter le signal de sorte jusqu'à une valeur relativement grande de manière à obtenir la sensibilité maximale pour une très faible proportion d'humidité.
Le procédé de calibrage ci-dessus fournit en fait deux points d'une courbe représentant la tension de sortie E sortie en fonction du poids de l'eau. Par conséquent, toute autre tension de sortie peut être liée à cette courbe. Par ailleurs, comme on l'a vu ci-dessus, il est nécessaire de déterminer des points supplémentaires à cause de la non-linéarité de cette courbe.
Le calibrage ci-dessus est effectué chaque fois que les têtes de détecteur et de source utilisées pour le balayage viennent à l'extérieur de la feuille 10, et de plus, chaque fois que l'intensité du rayonnement infrarouge atteignant les détecteurs est ajustée par un déplacement de l'atténuateur Al; par exemple quand un dispositif 39 limiteur de la plage de charges de la lampe provoque un tel mouvement.
La régulation des caractéristiques de température des détecteurs D1 et D2 est stabilisée par un dispositif approprié de détection thermique et par commande d'un réchauffeur ou réfrigérateur approprié.
L'atténuateur A1 confère par ailleurs une protection contre un déplacement en dehors de la feuille et la saturation qui en résulte du détecteur par le flux d'intensité maximale émis par la source de rayonnement en intercalant un filtre à forte atténuation dans ces conditions. Un calculateur de traitement de l'information doit normalement déceler tout déplacement en dehors de la feuille qui est en train de se produire et intercaler l'atténuateur approprié. Pendant ce temps, le calibrage peut être réalisé automatiquement pendant les quelques secondes disponibles lorsque le dispositif de balayage supportant les têtes 11 et 12, respectivement, du détecteur et de la source, inverse le sens de son mouvement.