EP0000319B1 - Dispositif pour élaborer un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction d'un fluide et son utilisation - Google Patents

Dispositif pour élaborer un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction d'un fluide et son utilisation Download PDF

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EP0000319B1
EP0000319B1 EP78810001A EP78810001A EP0000319B1 EP 0000319 B1 EP0000319 B1 EP 0000319B1 EP 78810001 A EP78810001 A EP 78810001A EP 78810001 A EP78810001 A EP 78810001A EP 0000319 B1 EP0000319 B1 EP 0000319B1
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EP
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light
fluid
curvature
curved
refraction
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EP78810001A
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EP0000319B2 (fr
EP0000319A1 (fr
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Alan Lewis Harmer
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Battelle Memorial Institute Inc
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Application filed by Battelle Memorial Institute Inc filed Critical Battelle Memorial Institute Inc
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet
    • G01F23/2921—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels
    • G01F23/2922—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels with light-conducting sensing elements, e.g. prisms
    • G01F23/2924—Light, e.g. infrared or ultraviolet for discrete levels with light-conducting sensing elements, e.g. prisms for several discrete levels, e.g. with more than one light-conducting sensing element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
    • G01N21/431—Dip refractometers, e.g. using optical fibres

Definitions

  • devices of the type already known by way of example comprising a transparent straight rod fitted respectively, at one of its ends, with an optomechanical system responsible for injecting into the rod a light brush at a well-defined angle of incidence, and at its other end, a photoelectric detector responsible for measuring the light intensity thus transmitted through the rod by multiple internal reflections of well-defined incidence: the rod being immersed in the fluid medium to be measured, the angle of incidence of the light brush injected into the rod is then continuously decreased while observing the transmitted light intensity, the sudden drop in intensity which occurs when the angle d the incidence of multiple reflections exceeds the limit angle with respect to the fluid considered, thus making it possible to determine this limit angle, and consequently the refractive index of the fluid.
  • devices of this type have the major drawback of being extremely complicated, since they require, among other things, the presence of a relatively sophisticated light injection system, since it must ensure both the parallelization of the incident light brush using optical means, and the continuous variation of the angle of incidence of this brush using mechanical means.
  • a number of other devices are already known, of the type comprising a prism (or a cone) placed against the lower end of a transparent rod inserted inside the container containing the liquid whose level is to be determined, in which the level indication is obtained by injecting light into the upper end of the rod and by visual observation of the light capable of being returned by the prism to this end upper (this upper end appearing clear in the absence of liquid at the level of the prism, and darker in the opposite case).
  • devices of this kind are not without presenting a certain number of drawbacks: the small number of reflections thus produced (single or double reflection) first of all makes it possible to obtain only a low light contrast, however that the light transmission factor remains relatively low; the construction of such devices is also relatively complicated. But above all, these devices have the major drawback of being able to operate only in two very distinct states from each other due to the fixed nature of the incidence of light, so that they are hardly suitable to perform continuous index measurements and that they remain almost exclusively limited to changes of state detection such as level indication.
  • the object of the present invention is precisely to overcome the above-mentioned drawbacks, by proposing a simple device endowed with excellent sensitivity, which can detect both discontinuous changes of state of a fluid as well as continuous variations of various characteristics of this fluid. related to its refractive index.
  • the subject of the present invention is a device for producing a light signal characteristic of the refractive index of a fluid, comprising a single elongated light-conducting body consisting of an inlet section and an outlet section connected to each other by a curved intermediate section, said inlet section being intended to receive light by its free end and at least said curved section being intended to be immersed in said fluid the curvature of said curved section being chosen to be sufficiently pronounced to give rise to a significant passage of light by refraction in said fluid, a function of the refractive index of said fluid, the refractive index of the slender body being greater than that of the fluid characterized by the fact that said curved intermediate section has a profile comprising at least two successive alternately curved sufficiently pronounced, alternatively nt concave and convex.
  • the present invention also relates to the use of such a device for detecting the presence or absence of said fluid, or for measuring the refractive index of said fluid.
  • the expressions “elongated light conducting body” or “light guide”, intend to designate any elongated body capable of transporting light by multiple internal reflections. These expressions thus mean in particular encompass both light guides constituted by a simple rod made of a transparent material, as guides constituted by an optical fiber (this transparent rod or this optical fiber being moreover shaped so as to comprise an intermediate section curved with the desired profile).
  • the essential characteristic of the device according to the invention resides in the use of a light guide comprising a curved intermediate section consisting of a plurality of alternating curvatures (number of curvatures at least equal to 2).
  • a structure with alternating curvatures has the major advantage of giving the device of the invention a particularly high sensitivity (the degree of sensitivity of such a structure can be determined by the magnitude of the variation in the light intensity transmitted for a given variation in the refractive index of the fluid to be measured), and in any event significantly greater than that which can be obtained with a structure with a single curvature (whether it is a curvature in the form of U or a curvature of at least 360 °).
  • the intermediate section with alternating curvatures of the light guide constituting the device according to the present invention can take multiple forms, provided that the different curvatures of this intermediate section remain arranged one after the other so that any one of these bends is always turned in the opposite direction to the bends that are adjacent to it.
  • this intermediate section it is thus possible to envisage using structures with double curvature, in which the curvature avel is turned in the opposite direction from the upstream curvature, or else structures with triple curvature, in which the median curvature is turned in the opposite direction of the upstream and downstream curvatures, or of the structures having a higher number of curvatures.
  • the various curvatures can moreover be connected to one another by straight intermediate portions, or on the contrary be directly contiguous (that is to say directly connected to each other without being separated by straight portions).
  • these straight portions will moreover be advantageously chosen so that their length remains relatively small compared to that of the curvatures to which they are connected.
  • each of the curvatures may also take any form, provided that it is sufficiently pronounced.
  • curvature it is thus possible to envisage designing curvatures having a constant radius of curvature taking the form of an arc of a circle, the extension of this arc of a circle being moreover able to be variable (semicircle, quarter of cerle, full turn, etc ...), or on the contrary curvatures having a variable radius of curvature, this radius being able then to vary in increasing or decreasing way.
  • the radius of curvature R of the various alternating curvatures will be chosen, for a given cylindrical light guide of radius r, so that the ratio R / r is between approximately 3 and 5.
  • this rod may be made of any suitable transparent material.
  • This material must however be chosen, in the case where the device is used to determine continuous variations of index, so as to have a refractive index higher than that of the liquid to be detected, whereas it may very well have, in the case where the device is used as a level indicator, any refractive index, higher or lower than that of the liquid to be detected.
  • the size of the cross section of the light conducting rod with alternating curvatures according to the invention has little importance in itself, since it is the ratio R / r of the radius of curvature R of the different curvatures and of the radius r of the rod which is in fact decisive for obtaining the desired effect. It follows that it is possible in practice to use both rods with a very small cross section and rods with a relatively large cross section; it suffices simply to adapt in each case the magnitude of the curvature to the value of the cross section that has been chosen for the rod.
  • this cross section be circular, and one can very well consider using rods with a square, hexagonal, elliptical cross section (the radius of curvature R then, in such a case, be sufficient small compared to that of the dimensions of said cross section which is contained in the plane of curvature).
  • a light guide consisting of an optical fiber
  • these fibers could moreover be made of materials both based on glasses and based on plastics.
  • index hopping fibers it will be chosen to use more specifically so-called index hopping fibers.
  • the presence of a sheath around the light conducting core has the additional advantage of preventing, in the non-curved parts of the fiber, any risk of pertrubating influence of a possible parasitic surrounding environment.
  • the curved portions of these fibers it is also possible to envisage either stripping them completely of their sheath, so as to allow direct contact of the central core with the fluid medium to be tested, or on the contrary leaving them as they are.
  • angle of incidence of a light ray on a surface will moreover be used according to its usual definition, namely "angle that this light ray makes with respect to the normal to this surface of incidence ". According to this definition, an increase in the obliquity of the light ray with respect to the incidence surface therefore amounts to a reduction in its angle of incidence.
  • FIG. 1 a illustrate by way of example two devices known from the prior art. The purpose of these first two illustrations is to clearly highlight the essential differences which exist between these known devices and the different embodiments of the device according to the invention which will be described below.
  • the device represented in FIG. 1 a comprises a transparent rod 1 in the shape of a U consisting of a curved section 2 of semi-circular shape extending at each of its ends by straight sections 3 and 4.
  • the free end 3a of one of the straight sections 3 is used to inject light into the rod 1, while the free end 4a of the other straight section 4 is used to detect the light transmitted through the rod 1 ( injection and light output shown schematically by arrows in the drawing).
  • the curved section 2 being immersed in a liquid 9 to be tested, it can be seen that the quantity of light emerging at the end 4a is a function of the refractive index of the liquid 9.
  • the device represented in FIG. 1 is similar to that of Figure 1a, apart from the fact that the curved section 2 of semi-circular shape is here replaced by a section 2 'curved 360 °.
  • Figure 2 illustrates a first embodiment of the device according to the invention, according to which a light guide is used consisting of a simple transparent rod provided with two alternating curvatures.
  • the device shown in this figure comprises a rod 10 made of a transparent material, which is respectively composed of a curved intermediate section II in the form of an S, and two straight sections 15 and 16 extending substantially vertically from each of the ends of this curved section It.
  • the straight sections 15 and 16 are intended to serve respectively as an inlet section and an outlet section for the rod 10.
  • the S-shaped curved section II consists respectively of two curved sections 12 and 13 in the form of d arc of a circle connected to each other by a straight intermediate portion 14, these two curved portions 12 and 13 being moreover arranged so as to be substantially symmetrical with respect to each other, while being rotated in reverse of each other.
  • the transparent rod 10 has a circular cross section of radius r, while the curved portions 12 and 13 have a constant radius of curvature R.
  • a source of light radiation 5 responsible for injecting light into the transparent rod 10
  • a detection system 5 responsible for determining the light intensity transmitted by the rod 10.
  • this detection system 6 can be constituted by a photoelectric detector 7 electrically connected to a measurement and / or display device 8.
  • the curved section of this device is intended to be immersed in a liquid 9 of refractive index n, of which it is desired to determine one of the characteristics linked to this refractive index.
  • the transparent material constituting the rod 10 is finally chosen so as to have a refractive index n greater than the refractive index n of the liquid to be tested.
  • the geometry of the double curvature structure which has just been described is essentially controlled by three parameters: the radius of curvature R of each of the curved portions 12 and 13 (or the quotient R / r normalized to the radius r of the rod) , the distance D separating the centers of curvature of each of these curved portions and the horizontal displacement H.
  • R the radius of curvature R relatively small compared to r if one wishes to increase optimally the contrast and the sensitivity of the device.
  • this radius of curvature R will be chosen so that the quotient R / r is between approximately 3 and 5.
  • the first curvature 12 of this curved section 11 has the effect of modifying the incidence of the rays which strike its walls, in particular causing a reduction in the angle of incidence of those of the rays which strike its exterior surface (this angle of incidence reduction being also a function of the magnitude of the curvature), so that those of the incident rays whose angle becomes less than the limit angle relative to the surrounding liquid 9 are then forced to pass through refraction in this liquid (behavior illustrated by the radius P in the drawing).
  • this reduction in incidence is not moreover identical for all the rays which arrive with the same incidence in this curved portion 12, since it depends on the contrary on the depth to which these rays could penetrate into this curved portion before coming to strike its outer surface, so that only part of the rays which arrive under the same incidence is likely to pass out of the rod 10 by refraction in the surrounding liquid.
  • This more or less large part of rays which are likely to exit by refraction in the surrounding liquid is obviously a function of the refractive index of this liquid since the limit angle of total reflection depends on this index.
  • This major part of the rays forced to pass by refraction in the surrounding liquid is obviously also a function of the refractive index of this liquid, since the limit angle of total reflection here again depends on this index.
  • the light intensity thus emerging at the other end 16a of the rod which is substantially equal to the light intensity injected into the rod minus the refractive losses suffered when passing the curved portions 12 and 13 (aux losses by absorption in the rod), is therefore also a function of the refractive index of the medium surrounding the curved portion.
  • This transmitted light intensity therefore constitutes a light signal characteristic of the refractive index of the medium surrounding the curved section of the rod.
  • the light signal thus produced by the device which has just been described differs in a fundamental manner, however, from that produced by the known devices of FIGS. 1 a and 1 b (although it is in both cases characteristic of the index of refraction of the fluid to be tested) by the fact that it has a much greater sensitivity here, this result quite unexpected being due to the presence of the second curvature 13 disposed in the opposite direction to the first curvature 12 which in a way plays a role of amplification of the effects already observable during the crossing of this first curvature.
  • This second curvature 13 disposed in the opposite direction makes it possible to multiply the effects obtained during the passage of the first curvature 12, due to the fact that the rays entering this second curvature have already seen their path sufficiently modified during their passage through the first curvature to have to be forced to strike the second curvature under a strong obliquity, which strong obliquity thus obliges the major part of these rays to come out by refraction of the rod at the level of this second curvature (strong obliquity moreover impossible to achieve during from the penetration into the first curvature, due to the limited digital opening "of the inlet section 15 of the transparent rod).
  • FIG 3 illustrates a first variant of the device according to the invention, according to which a structure is used consisting of a transparent rod 21 having three alternating curvatures.
  • the W-shaped rod 21 shown in this figure consists, respectively, of three curved portions 22, 23 and 24 in the form of a circular arc connected with each other by two intermediate portions 25 and 26 (the middle curved portion 23 being arranged in the opposite direction to the external curvatures 22 and 24), the free ends of the external curvatures 22 and 24 being further extended by. straight portions 27 and 28.
  • FIG. 4 illustrates a second embodiment of the device according to the invention, based on the use of a double curvature optical fiber.
  • This structure is similar to that of FIG. 2, except that the transparent rod 10 made of a single material is here replaced by an optical fiber 31, consisting of a central core 32 surrounded by a thin sheath 33, this optical fiber 31 also remaining undressed over its entire length.
  • the geometry of this structure also differs from that shown in FIG. 2 by the fact that the curvatures 12 and 13 are here directly contiguous (no intermediate portion between the curvatures) and of semicircular shape, the horizontal displacement H being also chosen. equal to zero.
  • FIG. 5 illustrates a variant of the device of FIG. 4, according to which the optical fiber 31 is provided with a curved section 35 comprising four alternating curvatures (instead of two as in FIG. 4), this curved section 35 also being completely stripped of its sheath 33 (bare heart 32).
  • the aforementioned structures can, for example, be produced by heating the fiber to a temperature between approximately 100 and 200 ° C., and by shaping the fiber thus heated around cylindrical dies of appropriate dimensions (dies having: in particular a radius external equal to 1.75 mm.
  • the purpose of this example is to illustrate how the light intensity transmitted by the device according to the invention varies as a function of the magnitude of the curvatures imparted to the light conducting rod of this device.
  • optical fibers (sold commercially under the name CROFON by the Company Dupont de Nemours) with an external diameter of 1 mm are used, consisting respectively of a central core made of a first plastic material of index equal to 1.49 (polymethylmetacrylate), and of a sheath made of a second plastic material with an index equal to 1.39 (the thickness of the sheath being less than 50 microns).
  • Three optical fiber structures with double curvature identical to those illustrated in FIG. 4 are produced (namely structure having a distance D equal to (2R + 2r) and a distance H zero), these curvatures being differentiated from each other simply by the fact that the radius of curvature R is chosen to be different in each of the cases, namely 2 mm, 1.75 mm and 1.5 mm respectively (D then being respectively equal to 5 mm, 4.5 mm and 4 mm).
  • Each of these structures is successively immersed in air and in a reference liquid with an index equal to 1.39 (essence), and the light transmitted through these structures is measured each time in the same way as previously.
  • the measurements obtained make it possible to determine, for each of these structures, a contrast coefficient respectively equal to approximately 8, 18 and 75, as well as a coefficient of transmission in the air respectively equal to 55%, 50% and 43%.
  • the development by the device according to the invention of a light signal characteristic of the refractive index of the fluid in which it is immersed can be used both to detect discontinuous changes in state of this fluid and to determine different, characteristics of this fluid linked to its refractive index (or continuous variations of these characteristics).
  • the device according to the invention may in a particularly advantageous manner be used to detect the presence or absence of a fluid at a determined location, and more particularly the height or the level of a liquid in a given container, the various curvatures constituting the curved section of the light conductor then being arranged at the level which it is desired to detect.
  • the device can be simplified to the extreme, since it must detect only two very different states: it is thus possible to completely remove the detection system of the transmitted light and replace it with a simple one.
  • the curvature of the curved portions being also advantageously chosen so as to cause minimal light losses in the absence of liquid, so that the detection end of the light conductor will appear dark if the liquid is at the desired level or on the contrary will become clear if he runs out of liquid.
  • a simple auxiliary light source for example a portable lamp such as a flashlight
  • FIG. 7 illustrates by way of example a facility for measuring three distinct levels inside a container 40 (maximum, medium and minimum levels).
  • This installation comprises three optical fibers according to the invention 41, 42 and 43 mounted inside a tubular conduit 44 immersed in the container 40, these three optical fibers having curved sections 41 a, 42a and 43a in the form of W arranged at the height of each of the levels to be measured.
  • the injection of light into the fiber entry sections is carried out using a single light source 45, while the level indication is obtained by simple visual observation of the free end outlet sections of these fibers.
  • the container being by way of example three-quarters full in the drawing, only the outlet end of the fiber 41 appears clear in the drawing, the ends of the other two fibers 42 and 43 remaining dark.
  • the applications of the device according to the invention as a level indicator are multiple. We can first of all consider using it in the field of automotive (or even aeronautical) instrumentation, to detect levels such as the levels of the fuel tank, of the engine oil or of the transmission, brake fluid, electrolyte from the battery, fluid for washing the windshield, etc., the different control ends of the optical fibers used to detect all these levels being for example mounted on the vehicle dashboard . It is also conceivable to use such a level indicator in many other fields, such as storage of liquefied gases (where level measurements are generally difficult to take into account given the risk of fire, reduced temperatures and the corrosive environment), chemical storage tank, etc.
  • the device according to the invention can also be used as a refractometer, with a view to measuring, either directly the refractive index of a fluid, supported by other characteristics of this fluid linked to its refractive index, such as concentration of a solution, proportion of one of the constituents of a composite fluid, temperature of a liquefied fluid, etc.
  • the system for detecting transmitted light can be constituted by an electrical system comprising by example a phototransistor connected to a measuring device, (capable of being developed in such a way as to give the value of the characteristic to be measured directly) or on the contrary by a simple visual system based on the observation of an attenuation of brightness or d '' a color change (possibly susceptible to be compared with those of a control fiber).
  • a refractometer The fields of application of such a refractometer are multiple: chemical industry, medical field, instrumentation in general, automotive or aeronautical instrumentation, etc. In the field of automotive instrumentation, it is thus possible to envisage using such a refractometer for applications such as determining the state of charge of a lead-acid battery or determining the freezing resistance of antifreeze.
  • the state of charge of a conventional lead-acid battery can be determined by measuring the variations in the refractive index of the electrolyte, this index falling from 1.378 at full charge to 1.348 when the battery is dead: the diagram in Figure 6 shows that this change in index would correspond to a variation in the coefficient of contrast of approximately 88 to 35 for the optical fiber corresponding to curve D (respectively a variation of the contrast coefficient of approximately 35 to 19 for the optical fiber corresponding to curve C), which can be easily measured visually or electronically.
  • the second application of antifreeze we also know that propylene glycol tends more and more to replace ethylene glycol, whose use as antifreeze is now prohibited in many countries because of its toxicity.
  • the device according to the present invention has many advantages over known level gauges or reractometers: simplicity both in its construction and its use, low cost, high contrast making it particularly attractive for its use as a level indicator, excellent sensitivity to changes refractive indices allowing good use as a refractometer.

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Description

  • Dans de très nombreux processus, on éprouve fréquemment le besoin de détecter des changements dans les caractéristiques d'un milieu fluide, qu'il s'agisse de changements discontinus de l'état de ce fluide (par exemple présence ou absence de liquide) ou de changements continus dans les propriétés physiques ou chimiques de ce fluide (par exemple degré de concentration d'une solution, proportion d'un des constituants d'un fluide composite, variations de température d'un liquide ...), ceci en vue d'applications variées telles que réalisation de mesures, opérations de contrôle ou de vérification, réalisation d'asservissement.
  • On a déjà proposé, dans les cas où il existe une corrélation entre les caractéristiques du milieu fluide à déterminer et son indice de réfraction, de détecter les changements dans` ces caractéristiques en observant les variations de cet indice de réfraction, ceci au moyen de méthodes optiques diverses. La plupart de ces méthodes optiques sont basées sur l'exploitation des phénomènes de réflexion et de réfraction se déroutant au voisinage de l'angle limite. Elles consistent essentiellement à véhiculer de la lumière à l'intérieur d'une structure transparente conductrice de lumière immergée dans le milieu fluide à détecter, en faisant subir à cette lumière une pluralité de réflexions internes sur les parois de la structure, et à observer l'intensité de la lumière ainsi transmise par réflexions multiples, la variation brusque de cette intensité au voisinage de l'angle limite permettant de déterminer l'indice de réfraction du fluide.
  • Pour effectuer des mesures continues d'indice, on connaît ainsi déjà à titre d'exemple des dispositifs du genre comprenant une tige droite transparente équipée respectivement, à l'une de ses extrémités, d'un système optomécanique chargé d'injecter dans la tige un pinceau lumineux sous un angle d'incidence bien déterminé, et à son autre extrémité, d'un détecteur photoélectrique chargé de mesurer l'intensité lumineuse ainsi transmise à travers la tige par réfléxions internes multiples d'incidence bien déterminée: la tige étant immergée dans le milieu fluide à mesurer, on fait alors décroître de façon continue l'angle d'incidence du pinceau lumineux injecté dans la tige tout en observant l'intensité lumineuse transmise, la chute brusque d'intensité qui se produit lorsque l'angle d'incidence des réflexions multiples dépasse l'angle limite par rapport au fluide considéré permettant ainsi de déterminer cet angle limite, et par conséquent l'indice de réfraction du fluide. Cependant, les dispositifs de ce type présentent l'inconvénient majeur d'être extrêmement compliqués, étant donné qu'ils nécessitent, entre autres, la présence d'un système d'injection de lumière relativement sophistiqué, puisqu'il doit assurer à la fois la parallélisation du pinceau lumineux incident à l'aide de moyens optiques, et la variation continue de l'angle d'incidence de ce pinceau à l'aide de moyens mécaniques.
  • Pour effectuer de simples mesures de niveau, on connaît déjà par ailleurs un certain nombre d'autres dispositifs, du type comprenant un prisme (ou un cône) accolé contre l'extrémité inférieure d'une tige transparente introduite à l'intérieur du récipient contenant le liquide dont on veut déterminer le niveau, dans lesquels l'indication de niveau est obtenue par injection de lumière dans l'extrémité supérieure de la tige et par observation visuelle de la lumière susceptible d'être renvoyée par le prisme jusqu'à cette extrémité supérieure (cette extrémité supérieure apparaissant claire en cas d'absence de liquide au niveau du prisme, et plus sombre dans le cas contraire). Cependant, les dispositifs de ce genre ne sont pas sans présenter un certain nombre d'inconvénients: le faible nombre de réflexions ainsi réalisées (réflexion simple ou double) ne permet tout d'abord d'obtenir qu'un contraste lumineux peu élevé, cependant que le facteur de transmission de la lumière reste relativement faible; la construction de tels de dispositifs s'avère par ailleurs relativement compliquée. Mais avant tout, ces dispositifs présentent l'inconvénient majeur de ne pouvoir fonctionner que dans deux états bien distincts l'un de l'autre du fait du caractère fixe de l'incidence de la lumière, de sorte qu'ils ne sont guère adaptés pour effectuer des mesures continues d'indice et qu'ils restent presque exclusivement limités à des détections de changement d'état telles qu'indication de niveau.
  • En vue de remédier aux inconvénients susmentionnés, on a en outre proposé d'utiliser des dispositifs constitués par de simples tiges transparentes comportant une section intermédiaire incurvée en forme de U destinée à être immergée dans le liquide à tester, dans lesquels l'indice de réfraction de ce fluide est déterminé par injection de lumière par l'une des extrémités de la tige et par observation de la lumière transmise à son autre extrémité. Dans de tels dispositifs, la section incurvée de la tige a pour effet de provoquer le passage par réfraction dals le liquide d'une quantité de lumière qui s'avère être sensiblement fonction de l'indice de réfraction de ce liquide, de sorte que la quantité de lumière transmise à l'autre extrémité de la tige constitue une grandeur caractéristique de cet indice de réfraction (un dispositif de ce type se trouve à titre d'exemple décrit dans l'article "A photoelectric Refractometer" par E. Karrer et R. Orr Journal of the Optical Society of America Volume 36 No. 1 pages 42 à 46 Janvier 1946). De tels dispositifs apparaissent a priori particulièrement avantageux, étant donné leur grande simplicité et leur faible coût, ainsi que le fait qu'ils semblent pouvoir en principe être utilisés aussi bien pour détecter des changements discontinus que des changements continus des caractéristiques du Jiquide à tester. Cependant, ces dispositifs présentent l'inconvénient majeur d'êter doués d'une très faible sensibilité, de sorte que non seulement leur utilisation comme réfractomètres s'avère des plus limitées (en raison de leur inaptitude à pouvoir détecter de faibles variations de l'indice de réfraction de liquide à tester), mais que même leur utilisation comme simples indicateurs de niveau s'avère loin d'être satisfaisante (en raison de faibles contrastes susceptibles d'être enregistrés).
  • On a proposé plus récemment d'apporter différentes variantes à ces dispositifs constitués par des tiges transparentes incurvées. Mais aucune des variantes proposées jusqu'à l'heure actuelle ne s'est traduite par une amélioration notable de leur sensibilité. On a ainsi à tire d'exemple proposé de remplacer la tige incurvée en forme de U par une tige présentant une courbure d'au moins 360° (brevet US 3.282.149); mais ce remplacement avait pour simple but de permettre une linéarisation de la mesure, sans changement notable quant à la sensibilité. On a aussi à titre d'exemple proposé de remplacer la tige transparente par une fibre optique incurvée (brevet FR 2.130.037), dans le but essentiel de permettre une miniaturisation de l'appareillage, ce simple remplacement n'ayant la aussie pratiquement aucun effet sur la sensibilité.
  • La présente invention a précisément pour but de pàllier les inconvénients susmentionnés, en proposant un dispositif simple doué d'une excellente sensibilité, qui puisse détecter aussi bien des changements d'état discontinus d'un fluide que des variations continues de diverses caractéristiques de ce fluide liées à son indice de réfraction.
  • A cet effet, la présente invention à pour objet un dispositif pour élaborer un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction d'un fluide, comportant un seul corps longiligne conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire incurvée, ladite section d'entrée étant destinée à recevoir de la lumière par son extrémité libre et au moins ladite section incurvée étant destinée à être immergée dans ledit fluide la courbure de ladite section incurvée étant parfailleurs choisie suffisamment prononcée pour donner lieu à un passage de lumière non négligeable par réfraction dans ledit fluide, fonction de l'indice de réfraction dudit fluide, l'indice de réfraction du corps longiligne étant supérieur à celui du fluide caractérisé par le fait que ladite section intermédiaire incurvée présente un profil comprenant au moins deux courbures alternées successives suffisamment prononcées, alternativement concaves et convexe.
  • La présente invention a également pour objet l'utilisation d'un tel dispositif pour détecter la présence ou l'absence dudit fluide, ou pour mesurer l'indice de réfraction dudit fluide.
  • Dans la présente description, les expressions "corps longiligne conducteur de la lumière" ou "guide de lumière", entendent désigner tout corps longiligne capable de véhiculer de la lumière par réflexions internes multiples. Ces expressions entendent ainsi notamment englober aussi bien des guides de lumière constitués par une simple tige faite en un matériau transparent, que des guides constitués par une fibre optique (cette tige transparente ou cette fibre optique étant par ailleurs conformées de façon à comporter une section intermédiaire incurvée présentant le profil désiré).
  • On voit ainsi que la caractéristique essentielle du dispositif selon l'invention réside dans l'utilisation d'un guide de lumière comprenant une section intermédiaire incurvée se composant d'une pluralité de courbures alternées (nombre de courbures au moins égal à 2). Une telle structure à courbures alternées présente l'avantage majeur de conférer au dispositif de l'inyention une sensibilité particulièrement importante (le degré de sensibilité d'une telle structure pouvant être déterminé par l'importance de la variation de l'intensité lumineuse transmise pour une variation donnée de l'indice de réfraction du fluide à mesurer), et en tout état de cause notablement supérieure à celle susceptible d'être obtenue avec une structure à courbure unique (qu'il s'agisse d'une courbure en forme de U ou d'une courbure d'au moins 360°).
  • La section intermédiaire à courbures alternées du guide de lumière constitutif du dispositif selon la présente invention peut revêtir des formes multiples, pourvu que les différentes courbures de cette section intermédiaire restent arrangées les unes à la suite des autres de façon que l'une quelconque de ces courbures soit toujours tournée en sens inverse des courbures qui lui sont adjacentes. Comme structures possibles pour cette section intermédiaire, on peut ainsi envisager d'utiliser des structures à double courbure, dans lesquelles la courbure avel se trouve tournée en sens inverse de la courbure amont, ou bien des structures à triple courbure, dans lesquelles la courbure médiane se trouve tournée en sens inverse des courbures amont et aval, ou encore des structures présentant un nombre de courbures plus élevé. Dans toutes les structures susmentionnées, les différentes courbures peuvent par ailleurs être raccordées les unes aux autres par des portions intermédiaires droites, ou au contraire être directement jointives (c'est-à-dire raccordées directement les unes aux autres sans être séparées par des portions droites). Dans le cas de courbures raccordées entre elles par l'intermédiaire de portions droites, ces portions droites seront par ailleurs choisies de manière avantageuse de façon que leur longueur reste relativement faible par rapport à celle des courbures auxquelles elles sont raccordées.
  • Dans les structures à courbures alternées telles que sus-définies, chacune des courbures peut par ailleurs revêtir une forme quelconque, pourvu qu'elle soit suffisamment prononcée. Comme formes de courbure possibles, on peut ainsi envisager de concevoir des courbures présentant un rayon de courbure constant revêtant la forme d'un arc de cercle, l'extension de cet arc de cercle pouvant par ailleurs être variable (demi-circle, quart de cerle, tour complet, etc ...), ou au contraire des courbures présentant un rayon de courbure variable, ce rayon pouvant alors varier de manière croissante ou décroissante. De manière préférentielle, le rayon de courbure R des différentes courbures alternées sera choisi, pour un guide de lumière cylindrique donné de rayon r, de façon que le rapport R/r soit compris entre environ 3 et 5.
  • Dans le cas d'un guide de lumière constitué par une simple tige transparente, cette tige pourra être faite en tout matériau transparent approprié. Ce matériau doit cependant être choisi, dans le cas où le dispositif est utilisé pour déterminer des variations continues d'indice, de façon à avoir un indice de réfraction supérieur à celui du liquide à détecter, alors qu'il peut très bien avoir, dans le cas où le dispositif est utilise comme indicateur de niveau, un indice de réfraction quelconque, supérieur ou inférieur à celui du liquide à détecter. Comme matériaux transparents possibles, on peut ainsi envisager d'utiliser des matières plastiques telles que le polystyrène (n=1,65), le potyméthyt- métacrylate (n=1,49), etc ... ou des verres tels que silice (1,458), verres au borosilicate (n typique=1,5) verres au plomb (n typique=1,7), verre au fluor (n typique=1,35), etc. La grandeur de la section droite de la tige conductrice de lumière à courbures altemées selon l'invention a peu d'importance par elle-même, puisque c'est le rapport R/r du rayon de courbure R des différentes courbures et du rayon r de la tige qui est en fait déterminant pour l'obtention de l'effet désiré. Il s'ensuit qu'on peut en pratique utiliser aussi bien des tiges à section droite très faible que des tiges à section droite relativement élevée; il suffit simplement d'adapter dans chaque cas l'importance de la courbure à la valeur de la section droite que l'on a choisie pour la tige. Il n'est par ailleurs pas obligatoire que cette section droite soit circulaire, et on peut très bien envisager d'utiliser des tiges à section droite carrée, hexagonale, elliptique (le rayon de courbure R devant alors, dans un tel cas, être suffisamment faible par rapport à celle des dimensions de ladite section droite qui se trouve contenue dans le plan de courbure).
  • Dans le cas d'un guide de lumière constitué par une fibre optique, on pourra en principe envisager d'utiliser tout type de fibre approprié (ces fibres pourront par ailleurs être faites en des matériaux aussi bien à base de verres qu'à base de matières plastiques). De manière particuliérement avantageuse, on choisira toutefois d'utiliser plus spécialement des fibres dites à saut d'indice. Dans le cas d'utilisation de fibres optiques, la présence d'une gaine autour du coeur conducteur de la lumière présente l'avantage additionnel d'empêcher, dans les parties non incurvées de la fibre, tout risque d'influence pertrubatrice d'un éventuel milieu environnant parasite. En ce qui concerne les portions incurvées de ces fibres, on pourra par ailleurs envisager soit de les dénuder complètement de leur gaine, de façon à permettre un contact direct du coeur central avec le milieu fluide à tester, soit au contraire de les laisser telles quelles, complètement protégées par leur gaine. Les résultats permettent en effet de montrer que la présence d'une gaine autour des portions incurvées de la fibre ne modifie pas de manière fondamentale les phénomènes de pertes de lumière par réfraction au passage de ces portions incurvées; la présence de cette gaine ne se traduit en effet que par une légère diminution du contraste, l'intensité de la lumière transmise restant toujours caractéristique de l'indice de réfraction du milieu fluide environnant à tester. Dans ce dernier cas toutefois (portions incurvées non dénudées), on choisira de manière préférentielle d'utiliser des fibres possédant une gaine de relativement faible épaisseur.
  • Dans la présente description, le terme "angle d'incidence d'un rayon lumineux sur une surface" sera par ailleurs utilisé selon sa définition habituelle, à savoir "angle que fait ce rayon lumineux par rapport à la normale à cette surface d'incidence". Selon cette définition, une augmentation de l'obliquité du rayon lumineux par rapport à la surface d'incidence équivaut donc à une diminution de son angle d'incidence.
  • On va enfin donner ci-après la définition de deux grandeurs qui seront fréquemment utilisées dans la suite de l'exposé pour mieux préciser les effets procurés par la section incurvée du dispositif selon l'invention, à savoir le "coefficient de transmission dans l'air" et le "coefficient de contraste" du dispositif. Soient, à cet égard, respectivement 10 l'intensité lumineuse injectée à l'entrée du guide de lumière incurvé, Ita l'intensité lumineuse transmise par ce guide lorsque le milieu environnant la section incurvée est de l'air, et It, l'intensité lumineuse transmise par ce guide lorsque le milieu environnant la section incurvée est un liquide d'indice de réfraction n (ce liquide pouvant par ailleurs être le liquide à tester ou un liquide de référence). On appelera respectivement "coefficient de transmission dans l'air" le rapport Ita/Io de - l'intensité lumineuse lta transmise par le guide en présence d'air: l'intensité lumineuse 10 injectée dans le guide (ce coefficient permettant en quelque sorte de définir les pertes de lumière par réfraction en présence d'air), et "contraste" ou "coefficient de contraste" r le rapport hta/Itl de l'intensité lumineuse Ita transmise en présence d'air à l'intensité lumineuse Itl transmise en présence de liquide. Selon cette dernière définition, la "sensibilite" du dispositif peut donc aussi se définir comme étant représentée par l'importance de la variation de contraste obtenue pour une variation d'indice prédéterminée (sensibilité correspondant à la pente des courbes du diagramme de la fig. 6). Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution ainsi que des variantes du dispositif objet de la présente invention.
    • Les figures 1 a et 1 b sont des vues en coupe longitudinale schématique, illustrant deux dispositifs connus de l'état de la technique,
    • La figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique, illustrant une première forme d'exécution du dispositif selon l'invention,
    • La figure 3 est une vue en coupe longitudinale partielle, illustrant une variante de cette première forme d'exécution,
    • La figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, illustrant une seconde forme d'exécution,
    • La figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4, illustrant une variante de cette seconde forme d'exécution,
    • La figure 6 est un diagramme illustrant les résultats obtenables avec le dispositif selon l'invention, comparés avec ceux obtenables avec les dispositifs connus de l'état de la technique.
    • La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une installation pour la détection d'une pluralité de niveaux, utilisant plusieurs dispositifs selon l'invention.
  • Les figures 1 a et 1 b illustrent à titre d'exemple deux dispositifs connus de l'état de la technique. Ces deux premières illustrations ont pour but de faire clairement ressortir les différences essentielles qui existent entre ces dispositifs connus et les différentes formes d'exécution du dispositif selon l'invention qui vont être décrites par la suite. Le dispositif représenté à la figure la comprend une tige transparente 1 en forme de U se composant d'une section incurvée 2 de forme semi-circulaire se prolongeant à chacune de ses extrémités par des sections droites 3 et 4. L'extrémité libre 3a de l'une des sections droites 3 est utilisée pour réaliser l'injection de lumière dans la tige 1, cependant que l'extrémité libre 4a de l'autre section droite 4 est utilisée pour la détection de la lumière transmise à travers la tige 1 (injection et sortie de lumière schématisées par des flèches au dessin). La section incurvée 2 étant immergée dans un liquide 9 à tester, on constate que la quantité de lumière émergeant à l'extrémité 4a est fonction de l'indice de réfraction du liquide 9. Le dispositif représenté à la figure 1 est analogue à celui de la figure 1 a, mis à part le fait que la section incurvée 2 de forme semi-circulaire est ici remplacée par une section 2' incurvée à 360°.
  • La figure 2 illustre une première forme d'exécution du dispositif selon l'invention, suivant laquelle on utilise un guide de lumière constitué par une simple tige transparente pourvue de deux courbures alternées. Le dispositif représenté sur cette figure comprend une tige 10 faite en un matériau transparent, qui se compose respectivement d'une section intermédiaire incurvée Il en forme de S, et de deux sections droites 15 et 16 s'étendant sensiblement verticalement à partir de chacune des extrémités de cette section incurvée Il. Les sections droites 15 et 16 sont destinées à servir respectivement de section d'entrée et de section de sortie pour la tige 10. La section incurvée Il en forme de S se compose respectivement quant à elle de deux portions incurvées 12 et 13 en forme d'arc de cercle raccordées l'une à l'autre par une portion intermédiaire droite 14, ces deux portions incurvées 12 et 13 étant par ailleurs agencées de façon à être sensiblement symétriques l'une par rapport à l'autre, tout en étant tournées en sens inverse l'une de l'autre. La tige transparente 10 présente une section droite circulaire de rayon r, cependant que les portions incurvées 12 et 13 présentent un rayon de courbure constant R.
  • A proximité de la face d'extrémité plane 15a de la section d'entrée 15 se trouve disposée une source de rayonnement lumineux 5 chargée d'injecter de la lumière dans la tige transparente 10, cependant qu'à proximité de la face d'extrémité 16a de la section de sortie 16 se trouve disposé un système de détection 5 chargé de déterminer l'intensité lumineuse transmise par la tige 10. A titre d'exemple, ce système de détection 6 peut être constitué par un détecteur photoélectrique 7 relié électriquement à un dispositif de mesure et/ou d'affichage 8. La section incurvée de ce dispositif est destinée à être immergée dans un liquide 9 d'indice de réfraction n, dont on désire déterminer l'une des caractéristiques liées à cet indice de réfraction. Le matériau transparent constitutif de la tige 10 est enfin choisi de façon à avoir un indice de réfraction n supérieur à l'indice de réfraction n du liquide à tester.
  • La géométrie de la structure à double courbure qui vient d'être décrite est essentiellement contrôlée par trois paramètres: le rayon de courbure R de chacune des portions incurvées 12 et 13 (ou encore le quotient R/r normalisé au rayon r de la tige), la distance D séparant les centres de courbure de chacune de ces portions, incurvées, et le déplacement horizontal H. De manière avantageuse, on a intérêt à choisir un rayon de courbure R relativement faible par rapport à r si on désire accroître de manière optimale le contraste et la sensibilité du dispositif. De manière préférentielle, ce rayon de courbure R sera choisi de façon que le quotient R/r soit compris entre environ 3 et 5. Pour les mêmes raisons également, on a par ailleurs intérêt à maintenir la distance D au voisinage du minimum permis par le rayon de courbure (c'est-à-dire environ (2R+2r)). Toujours pour les mêmes raisons de contraste et sensibilité, on a enfin intérêt à choisir la distance H sensiblement nulle ou faiblement positive (cas représenté à la figure 2).
  • Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit peut s'expliquer de la mainère suivante:
    • la section incurvée Il de ce dispositif étant immergée dans le liquide 9 à tester, on injecte de la lumière dans la tige transparente 10 au moyen de la source 5. Le faisceau de lumière délivré par cette source 5 peut à priori avoir une ouverture quelconque, étant donné que la quantité de lumière effectivement piégée par la tige transparente 10 dépend seulement, ainsi qu'il est bien connu, de 1"'ouverture numérique" de cette tige et non pas de l'ouverture du faisceau incident. On sait en effet que seuls sont piégés à l'intérieur de la tige les rayons incidents qui frappent sa paroi sous un angle d'incidence supérieur à son angle limite par rapport au milieu environnant (air), les autres rayons d'angle d'incidence inférieur se trouvant réfractés en dehors de la section droite 15. La lumière effectivement piégée à l'intérieur de la tige transparente 10 se trouve alors transmise par réflexions internes multiples à travers la section droite 15, jusqu'à son arrivée dans la section incurvée 11 immergée dans le liquide 9 à tester.
  • La première courbure 12 de cette section incurvée 11 a pour effet de modifier l'incidence des rayons qui viennent frapper ses parois, en provoquant en particulier une réduction de l'angle d'incidence de ceux des rayons qui viennent frapper sa surface extérieure (cette réduction d'angle d'incidence étant par ailleurs fonction de l'importance de la courbure), de sorte que ceux des rayons incidents dont l'angle devient inférieur à l'angle limite par rapport au liquide environnant 9 sont alors contraints de passer par réfraction dans ce liquide (comportement illustré par le rayon P au dessin). Pour une courbure donnée, cette réduction d'incidence n'est au demeurant pas identique pour tous les rayons qui arrivent avec la même incidence dans cette portion incurvée 12, puisqu'elle dépend au contraire de la profondeur à laquelle ces rayons ont pu pénétrer dans cette portion incurvée avant de venir en frapper sa surface extérieure, de sorte qu'une partie seulement des rayons qui arrivent sous la même incidence est susceptible de passer hors de la tige 10 par réfraction dans le liquide environnant. Cette partie plus ou moins grande de rayons qui sont susceptibles de sortir par réfraction dans le liquide environnant est évidemment fonction de l'indice de réfraction de ce liquide puisque l'angle limite de réflexion totale dépend de cet indice. La partie restante des rayons qui ne s'est pas échappée de la tige lors de cette première incidence sur la portion incurvée est alors réfléchie totalement à l'intérieur de la tige et transmise par réflexions successives jusqu'à la seconde courbure 13 (il est facile de montrer que c'est la première incidence sur la portion incurvée qui détermine le passage éventuel des rayons dans le milieu environnant, un rayon réfléchi totalement après cette première incidence se réfléchissant en effet ensuite ultérieurement dans la première courbure suivant des angles d'incidence constants (égaux à celui de la première incidence) qui ne l'autorisent plus à sortir de la tige jusqu'à la prochaine courbure).
  • Les rayons totalement réfléchis par la première courbure 12, qui avaient déjà tendance à progresser le long de la surface extérieure de cette première courbure, sont alors contraints à leur arrivée dans la seconde courbure 13, du fait de l'inversion de cette dernière, de venir frapper ses parois sous une incidence extrêmement faible pour la plus grande partie d'entre eux, de sorte que la majeure partie de ces rayons se voit alors contrainte de passer par réfraction dans le milieu environnant (comportement illustré par le rayon p2 au dessin). Cette majeure partie des rayons contrainte de passer par réfraction dans le liquide environnant est évidemment aussi fonction de l'indice de réfraction de ce liquide, étant donné que l'angle limite de réflexion totale dépend là encore de cet indice. La partie restante des rayons qui ne s'est pas échappée de la tige lors de cette première incidence sur la seconde courbure 13 est ensuite réfléchie totalement à l'intérieur de la tige (les incidences ultérieures ayant en effet lieu suivant des angles égaux à celui de la première incidence), et donc transmise par réflexions internes successives jusqu'à son autre extrémité 16a (comportement illustré par le rayon t au dessin).
  • Il s'ensuit que l'intensité lumineuse émergeant ainsi à l'autre extrémité 16a de la tige, qui est sensiblement égale à l'intensité lumineuse injectée dans la tige diminuée des pertes par réfraction subies au passage des portions incurvées 12 et 13 (aux pertes près par absorption dans la tige), est donc également fonction de l'indice de réfraction du milieu environnant la portion incurvée. Cette intensité lumineuse transmise constitue donc bien un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction du milieu environnant la section incurvée de la tige.
  • Le signal lumineux ainsi élaboré par le dispositif qui vient d'être décrit diffère cependant d'une manière fondamentale de celui élaboré par les dispositifs connus des figures la et 1 b (bien qu'il soit dans les deux cas caractéristique de l'indice de réfraction du fluide à tester) par le fait qu'il présente ici une sensibilité beaucoup plus importante, ce résultat tout à fait inattendu étant dû à la présence de la seconde courbure 13 disposée en sens inverse de la première courbure 12 qui joue en quelque sorte un rôle d'amplification des effets déjà observables lors de la traversée de cette première courbure. Cette seconde courbure 13 disposée en sens inverse permet en effet de décupler les effets obtenus lors du passage de la première courbure 12, en raison du fait que les rayons pénétrant dans cette seconde courbure ont déjà vu leur trajet suffisamment modifié lors de leur passage dans la première courbure pour devoir être contraints de venir frapper la seconde courbure sous une forte obliquité, laquelle forte obliquité oblige ainsi la majeure partie de ces rayons à sortir par réfraction de la tige au niveau de cette seconde courbure (forte obliquité au demeurant impossible à réaliser lors dé la pénétration dans la première courbure, du fait de l'ouverture numérique" limitée de la section d'entrée 15 de la tige transparente). L'obtention d'une sensibilité particulièrement importante dans le dispositif selon l'invention (et donc l'obtention d'un contraste élevé) sera clairement mise en évidence dans les exemples qui seront décrits dans la suite de l'exposé.
  • On a dit plus haut que c'était la première incidence à l'entrée de la première courbure qui déterminait les pertes par réfraction dans cette courbure, les rayons totalement réfléchis après cette première incidence ayant ensuite tendance à progresser le long de la surface extérieure de la courbure sous des angles d'incidence constants et peu élevés. On voit donc qu'il est tout à fait inutile d'accroître le longueur de cette courbure en lui faisant subir plusieurs tours dans le même sens (cas du dispositif connu de la figure 1 b) si l'on désire améliorer la sensibilité, etant donne qu'une telle mesure aurait seulement pour résultat d'entraîner une réduction de transmission (augmentation des pertes par absorption dans le matériau transparent) sans accroître en aucune manière le contraste et la sensibilité. La seule mesure quii s'avère efficace pour accroître de manière notable ce contraste et cette sensibilité est précisément celle mise en oeuvre dans la présente invention, à savoir le fait de faire suivre cette première courbure d'au moins une seconde courbure disposée dans le sens inverse à la première.
  • L'explication qualitative qui veint d'être donnée ci-dessus en ce qui concerne l'effet des courbures n'est en fait qu'approximative. Une telle explication est en effet valable essentiellement pour les rayons méridionaux (c'est-à-dire rayons intersectant l'axe du guide de lumière), mais non pour les rayons obliques (c'est-à-dire rayons n'intersectant pas cet axe), lesquels rayons obliques ("skew rays") véhiculent pourtant, ainsi qu'il est connu, la majeure partie de l'énergie lumineuse injectée dans la tige transparente. Cependant, il est pratiquement impossible d'effectuer une analyse théorique globale du phénomène, compte tenu du comportement hautement complexe de ces rayons obliques. On pourrait tenter d'effectuer une approche théorique plus complète prenant en compte le comportement de ces rayons obliques, en utilisant un traitement mathématique basé sur l'analyse des modes de propagation à l'intérieur de la tige transparente. Cependant un tel traitement, s'il est déjà complexe à établir dans le cas d'une courbure unique soumise à la pénétration d'un rayonnement réparti uniformément, s'avère pratiquement impossible à réaliser dans le cas d'une seconde courbure alternée, du fait de la non-uniformité de la répartition spatiale de la lumière à son arrivée dans la seconde courbure (non-uniformité dûe à l'effet de la première courbure qui entraîne une concentration de l'énergie lumineuse au voisinage de la surface extérieure de cette courbure).
  • L'explication qualitative sus-énoncée, bien qu'approximative est néanmoins amplement corroborée dans la pratique par les différents résultats expérimentaux obtenus grâce à la mesure de l'intensité lumineuse transmise (lesquels prennent en compte aussi bien les rayons obliques que les rayons méridionaux), ainsi que le montreront clairement les exemples décrits par la suite.
  • La figure 3 illustre une première variante du dispositif selon l'invention, selon laquelle on utilise une structure constituée par une tige transparente 21 présentant trois courbures alternées. La tige 21 en forme de W représentée sur cette figure se compose, respectivement, de trois portions incurvées 22, 23 et 24 en forme d'arc de cercle raccordées les unes avec les autres par deux portions intermédiaires 25 et 26 (la portion incurvée médiane 23 étant disposée en sens inverse des courbures externes 22 et 24), les extrémités libres des courbures externes 22 et 24 se prolongeant par ailleurs par les. portions droites 27 et 28.
  • La figure 4 illustre une seconde forme d'exécution du dispositif selon l'invention, basée sur l'utilisation d'une fibre optique à double courbure. Cette structure est analogue à celle de la figure 2, mis à part que la tige transparente 10 faite en un matériau unique est ici remplacée par une fibre optique 31, se composant d'un coeur central 32 entouré par une gaine de faible épaisseur 33, cette fibre optique 31 restant par ailleurs non dénudée sur toute sa longueur. La géométrie de cette structure diffère par ailleurs de celle représentée à la figure 2 par le fait que les courbures 12 et 13 sont ici directement jointives (pas de portion intermédiaire entre les courbures) et de forme semicirculaires, le déplacement horizontal H étant par ailleurs choisi égal à zéro.
  • La figure 5 illustre une variante du dispositif de la figure 4, selon laquelle la fibre optique 31 est pourvue d'une section incurvée 35 comportant quatre courbures alternées (au lieu de deux comme à la figure 4), cette section incurvée 35 étant par ailleurs complétement dénudée de sa gaine 33 (coeur 32 mis à nu).
    • Exemple 1
  • Cet exemple a pour but de permettre d'établir la comparaison entre les résultats observables avec le dispositif selon l'invention et les dispositifs connus de l'état de la technique, de façon à montrer les différences fondamentales existant entre ces dispositifs.
  • On utilise comme matériau de départ des fibres optiques plastiques PS/PMMA de 1,15 mm de diamètre externe, se composant respectivement d'un coeur central de 1,03 mm de diamètre fait en polystyrène (indice égal à 1,59) et d'une gaine de 60 microns d'épaisseur faite en polyméthylmétacrylate (indice égal à 1,49). A l'aide de ces fibres, on réalise les différentes structures suivantes (toutes ces structures conservant leur gaine dans les portions incurvées):
    • a) une première structure comportant une simple courbure à 180° (géométrie analogue à celle de la figure 1a), qui présente un rayon de courbure R égal à 1,75 mm;
    • b) une deuxième structure comportant une simple courbure à 360° (géométrie analogue à celle de la figure 1 b), dont le rayon de courbure est aussi égal à 1,75 mm;
    • c) une troisième structure comportant une double courbure altemée (géométrie analogue à celle de la figure 2), gouvernée par les paramètres suivants: R choisi égal à 1,75 mm, D choisi égal à 4,65 mm (2R+2r), et H choisi égal à+0,97 mm; et,
    • d) une quatrième structure comportant une quadruple courbure alternée (géométrie analogue à celle de la figure 5), gouvernée par les paramètres suivants: R choisi égal à 1,75 mm, D choisi égal à 4,65 mm (2R+2r), et H choisi sensiblement nul.
  • Les structures susmentionnées peuvent à titre d'exemple être réalisées par chauffage de la fibre à une température comprise entre environ 100 et 200°C, et par conformation de la fibre ainsi chauffée autour de matrices cylindriques de dimensions appropriées (matrices présentant: notamment un rayon externe égal à 1,75 mm.
  • On effectue ensuite des mesures de transmission de lumière à travers chacune de ces structures au moyen d'une source constituée par une lampe quartz-iode de 150 W de puissance et d'un détecteur constitué par une photodiode au silicium présentant une réponse spectrale comprise entre 400 et 950 nm avec un pic à 700 nm On effectue toute une série de mesures, en immergeant ces différentes structures dans une succession de liquides d'indices connus. Les résultats ainsi obtenus sont reportés sur le diagramme de la figure 6, qui illustre le variation du coefficient de contraste Γ en fonction de l'indice de réfraction n du liquide testé pour les différentes structures susmentionnées, les courbes A et B correspondant respectivement à la première et à la deuxième structures connues de l'état de la technique, et les courbes C et D à la troisième et à la quatrième structures selon l'invention (les courbes A et B étant pratiquement confondues à l'échelle du dessin). Ce diagramme illustre à l'évidence non seulement la nette supériorité des performances (tant en ce qui concerne le contraste que la sensibilité) des structures selon l'invention par rapport à celles connues de l'état de la technique, mais aussi et surtout l'effet synergétique tout à fait inattendu procuré par les courbures alternées selon l'invention: ces courbures alternées permettent en effet l'obtention de performances décuplées par rapport aux courbures uniques de l'état de la technique, et non pas des performances simplement doublées ou quadruplées comme on pourrait normalement s'y attendre.
    • Exemple 2
  • Cet exemple a pour but d'illustrer la façon varie l'intensité lumineuse transmise par le dispositif selon l'invention en fonction de l'importance des courbures imprimées à la tige conductrice de lumière de ce dispositif.
  • On utilise comme matériau de départ des fibres optiques (vendues dans le commerce sous le nom de CROFON par la Société Dupont de Nemours) de 1 mm de diamètre externe, se composant respectivement d'un coeur central fait en une première matière plastique d'indice égal à 1,49 (polymethylmetacrylate), et d'une gaine faite en une seconde matière plastique d'indice égal à 1,39 (l'épaisseur de la gaine étant inférieure à 50 microns).
  • On réalise trois structures de fibre optique à double courbure identiques à celles illustrées à la figure 4 (à savoir structure présentant une distance D égale à (2R+2r) et une distance H nulle), ces courbures se différenciant les unes des autres simplement par le fait que le rayon de courbure R est choisi différent dans chacun des cas, à savoir respectivement 2 mm, 1,75 mm et 1,5 mm (D étant alors respectivement égal à 5 mm, 4,5 mm et 4 mm). On immerge successivement chacune de ces structures, respectivement, dans l'air et dans un liquide de référence d'indice égal à 1,39 (essence), et on mesure à chaque fois la lumière transmise à travers ces structures de la même façon que précédemment. Les mesures obtenues permettent de déterminer, pour chacune de ces structures, un coefficient de contraste respectivement égal à environ 8, 18 et 75, ainsi qu'un coefficient de transmission dans l'air respectivement égal à 55%, 50% et 43%.
  • On voit ainsi clairement que le contraste croît fortement en fonction de l'importance des courbures, cette forte croissance quant au contraste s'accompagnant par ailleurs d'une relativement faible diminution du coefficient de transmission dans l'air.
  • L'élaboration par le dispositif selon l'invention d'un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction du fluide dans lequel il est immergé peut être mise à profit aussi bien pour détecter des changement d'état discontinus de ce fluide que pour déterminer différentes, caractéristiques de ce fluide liées à son indicé de réfraction (ou des variations continues de ces caractéristiques).
  • Dans la premiere des applications qui vient d'être citée, le dispositif selon l'invention pourra de manière particulièrement avantageuse être utilisé pour détecter la présence ou l'absence d'un fluide à un endroit déterminé, et plus particulièrement la hauteur ou le niveau d'un liquide dans un récipient donné, les différentes courbures constitutives de la section incurvée du conducteur de lumière étant alors disposées au niveau que l'on désire détecter. Dans cette application comme indicateur de niveau, le dispositif peut être simplifié à l'extrême, étant donné qu'il doit détecter seulement deux états très différents: on peut ainsi supprimer complètement le système de détection de la lumière transmise et le remplacer par une simple observation visuelle, la courbure des portions incurvées étant par ailleurs choisie avantageusement de façon à occasionner des pertes de lumière minimes en l'absence de liquide, de sorte que l'extrémité de détection du conducteur de lumière apparaîtra sombre si le liquide est au niveau désiré ou au contraire deviendra claire s'il vient à manquer du liquide. On peut aussi envisager de supprimer la source de lumière montée à demeure à l'extrémité d'injection du conducteur de lumière, et la remplacer par une simple source de lumière annexe (par exemple lampe portative telle que lampe de poche) avec laquelle on éclairera cette extrémité d'injection de lumière au moment où l'on désire effectuer la vérification de niveau. En ce qui concerne cette détection de niveau, on pourra par ailleurs envisager de réaliser aussi bien une détection discrète (mesure d'un niveau unique) qu'une détection quasi-continue (mesure de différents niveaux possibles à l'intérieur d'un même récipient, par exemple niveaux maximum et minimum), en installant un dispositif à chacun des niveaux à détecter.
  • La figure 7 illustre à titre d'exemple une installation pur mesurer trois niveaux distincts à l'intérieur d'un récipient 40 (niveaux maximum, moyen et minimum). Cette installation comprend trois fibres optiques selon l'invention 41, 42 et 43 montées à l'intérieur d'un conduit tubulaire 44 immergé dans le récipient 40, ces trois fibres optiques présentant des sections incurvées 41 a, 42a et 43a en forme de W disposées à hauteur de chacun des niveaux à mesurer. Dans cette installation, l'injection de lumière dans les sections d'entrée des fibres est réalisée à l'aide d'une source de lumière unique 45, cependant que l'indication de niveau est obtenue par simple observation visuelle de l'extrémité libre des sections de sortie de ces fibres. Le récipient étant à titre d'exemple au trois-quarts plein au dessin, seule l'extrémité de sortie de la fibre 41 apparaît claire au dessin, les extrémités des deux autres fibres 42 et 43 restant sombres.
  • Les applications du dispositif selon l'invention comme indicateur de niveau sont multiples. On peut tout d'abord envisager de l'utiliser dans le domaine de l'instrumentation automobile (ou même aéronautique), pour détecter des niveaux tels que les niveaux du réservoir d'essence, de l'huile du moteur ou de la transmission, du liquide de freinage, de l'electrolyte de la batterie, du liquide pour laver le pare-brise, etc., les différentes extrémités de contrôle des fibres optiques utilisées pour détecter tous ces niveaux étant par exemple montées sur le tableau de bord du véhicule. On peut également envisager d'utiliser un tel indicateur de niveau dans bien d'autres domaines, tels que stockage de gaz liquéfiés (où les mesures de niveau sont généralement difficiles à effectuer compte tenu des risques de feu, des températures réduites et de l'environnement corrosif), réservoir de stockage de produits chimiques, etc...
  • Le dispositif selon l'invention peut également être utilisé comme refractomètre, en vue de mesurer, soit directement l'indice de réfraction d'une fluide, sout d'autres caractéristiques de ce fluide liées à son indice de réfraction, telles que concentration d'une solution, proportion d'un des constituants d'un fluide composite, température d'un fluide liquéfié, etc ... Dans une telle application comme réfractomètre, le système de détection de la lumière transmise peut être constitué par un système électrique comprenant par exemple un phototransistor relié à un dispositif de mesure, (susceptible d'être élaboré de façon à donner directement la valeur de la caractéristique à mesurer) ou au contraire par une simple système visuel basé sur l'observation d'une atténuation de luminosité ou d'un changement de couleur (éventuellement susceptible d'être comparée avec ceux d'une fibre de contrôle).
  • Les domaines d'application d'un tel réfractomètre sont multiples: industrie chimique, domaine médical, instrumentation en général, instrumentation automobile ou aéronautique, etc... Dans le domaine de l'instrumentation automobile, on peut ainsi envisager d'utiliser un tel réfractomètre pour des applications telles que détermination de l'état de charge d'une batterie acide-plomb ou détermination de la résistance à la congélation de l'antigel. En ce qui concerne cette première application à la batterie, on sait qu'on peut déterminer l'état de charge d'une batterie acide-plomb classique en mesurant les variations de l'indice de réfraction de l'électrolyte, cet indice tombant de 1,378 en pleine charge à 1,348 lorsque la batterie est à plat: le diagramme de la figure 6 montre que ce changement d'indice correspondrait à une variation du coefficient de contraste d'environ 88 à 35 pour la fibre optique correspondant à la courbe D (respectivement une variation du coefficient de contraste d'environ 35 à 19 pour la fibre optique correspondant à la courbe C), ce qui peut être facilement mesuré de manière visuelle ou électroniquement. En ce qui concerne la seconde application à l'antigel, on sait par ailleurs que le propylène glycol tend de plus en plus à remplacer l'ethylène glycol, dont l'utilisation comme antigel est maintenant interdite dans de nombreux pays en raison de sa toxicité: la détermination du pourcentage d'éthylène glycol à l'aide d'un densitomètre ne peut malheureusement plus être appliquée pour le propylène glycol, étant donné que la densité de ce dernier est très voisine de celle de l'eau, de sorte que le dispositif selon l'invention constitue dans ce cas une solution de remplacement particulièrement avantageuse pour cette application.
  • Le dispositif selon la présente invention présente de nombreux avantages par rapport aux jauges de niveau ou réractomètres connus: simplicité tant dans sa constructuion que son utilisation, faible coût, contraste élevé le rendant particulièrement attrayant pour son utilisation comme indicateur de niveau, excellente sensibilité aux changements d'indices de réfraction permettant une bonne utilisation comme réfractomètre.

Claims (14)

1. Dispositif pour élaborer un signal lumineux caractéristique de l'indice de réfraction d'un fluide, comportant un seul corps longiligne conducteur de la lumière se composant d'une section d'entrée et d'une section de sortie raccordées l'une à l'autre par une section intermédiaire incurvée, ladite section d'entrée étant destinée à recevoir de la lumière par son extrémité libre et au moins ladite section incurvée étant destinée à être immergée dans ledit fluide, la courbure de ladite section incurvée étant par ailleurs choisie suffisamment prononcée pour donner lieu à une passage de lumière non négligeable par refraction dans ledit fluide, fonction de l'indice de refraction de ce fluide, l'indice de réfraction du corps longiligne étant supérieur à celui du fluide caractérise par le fait que ladite section intermédiaire incurvée présente un profil comprenant au moins deux courbures successives suffisamment prononcées, alternativement concave et convexe.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite section intermédiaire incurvée présente un profil comprenant au moins trois courbures successives suffisamment prononcées alternativement.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite section intermédiaire incurvée présente un profil comprenant une pluralité de courbures successives suffisamment prononcées.
4. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que lesdites courbures successives sont raccordées entre elles par l'intermédiaire de portions intermédiaires droites dont la longueur reste relativement faible par rapport à celle desdites courbures.
5. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que lesdites courbures successives sont tangentes à un point commun.
6. Dispositif selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que ledit corps longiligne présente une section droite circulaire, le rayon de courbure desdites courbures étant par ailleurs préférentiellement choisi de façon à être de trois à cinq fois supérieur au rayon de la section droite dudit corps longiligne.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit corps longiligne conducteur de la lumière est constitué par une tige faite en un matériau transparent.
8. Dispositif selon la revendication 1, caract- térisé par le fait que ledit corps longiligne conducteur de la lumière est constitué par une fibre optique se composant d'un coeur fait en un premier matériau transparent, entouré d'une gaine faite en un second matériau transparent d'indice de réfraction inférieur à celui dudit premier matériau transparent.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la section intermédiaire incurvée de ladite fibre optique est dénudée de sa gaine.
10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une source lumineuse agencée en regard de l'extrémité libre de ladite section d'entrée, destinée à permettre l'injection d'un faisceau lumineux determiné dans ladite section d'entrée.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ladite source lumineuse est agencée de façon à permettre l'injection d'un faisceau divergent dans ladite section d'entrée.
12. Dispositif selon les revendications 10 ou 11, caractérisé par le fait qu'il comporte de plus un transducteur photoélectrique agencé en regard de l'extrémité libre de ladite section de sortie, destinée à élaborer un signal électrique représentatif de la quantité de lumière émergeant de cette section de sortie.
13. Utilisation du dispositif selon la revendication 1, pour détecter la présence ou l'absence dudit fluide.
14. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 pour déterminer l'indice de réfraction dudit fluide.
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