EP1234168A1 - Sonde optique compacte et procede de mesure associe - Google Patents

Sonde optique compacte et procede de mesure associe

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EP1234168A1
EP1234168A1 EP00981430A EP00981430A EP1234168A1 EP 1234168 A1 EP1234168 A1 EP 1234168A1 EP 00981430 A EP00981430 A EP 00981430A EP 00981430 A EP00981430 A EP 00981430A EP 1234168 A1 EP1234168 A1 EP 1234168A1
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EP
European Patent Office
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probe
liquid
sample
semi
probe according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00981430A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe Chauvin
Philippe Younes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
La Federation Francaise De Controle Laitier (ffcl)
Original Assignee
La Federation Francaise De Controle Laitier (ffcl)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by La Federation Francaise De Controle Laitier (ffcl) filed Critical La Federation Francaise De Controle Laitier (ffcl)
Publication of EP1234168A1 publication Critical patent/EP1234168A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • 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
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
    • 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
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G01N33/04—Dairy products

Definitions

  • the present invention relates to a compact optical probe for measuring the properties of a sample and to a measurement method with such a probe.
  • the invention is particularly applicable to the analysis of milk.
  • To analyze the milk obtained following milking of animals it is known to collect a sample in a collection container, to homogenize this sample and to analyze it in the laboratory.
  • Such measures do not allow chain analyzes of the milk sampled for each animal but require separate processing, which involves time and complex operations to obtain results.
  • the homogenization of the sample is relatively expensive and complex. What is more, the homogenized milk sample cannot be subsequently discharged into a reservoir, on pain of causing degradation of the milk contained in the reservoir by lipolysis, and is thus lost.
  • optical probes directly in the milking parlor, the probes being associated respectively with milk counters.
  • Each of the probes comprises an input optical fiber and an output optical fiber, and all the probes are connected to an analyzer, intended to analyze the signals coming from the different probes.
  • the analyzer also receives a reference signal which makes it possible to correct the measurements obtained for these probes.
  • the invention relates to a compact optical probe advantageously for a milk counter, making it possible to obtain a measuring device having a reduced size and which can be economical.
  • the probe of the invention also makes it possible to significantly reduce noise, by a factor of up to 5 to 6, as well as fluctuations, by a factor of up to 10.
  • the probe of the invention also makes it possible to recover the milk analyzed, the latter being able to be discharged directly into the reservoir without risk of lipolysis.
  • the compact optical probe of the invention applies more generally to the measurement of various liquid, semi-solid or solid materials, such as, for example, fodder.
  • the invention also relates to a method for measuring the properties of a sample with the probe of the invention.
  • the invention applies to a compact optical probe for measuring the properties of a sample, comprising:
  • Means for emitting an incident light beam on the sample Means for emitting an incident light beam on the sample, a scattering detector capable of detecting light scattered by the sample illuminated by the incident beam, and
  • the probe also comprises a reflection detector, capable of detecting a beam reflected directly by the semi-transparent wall illuminated by the same incident beam, the reflected beam serving as a reference for the scattered beam.
  • the semi-transparent wall has a double separation and semi-reflection function, which in particular allows the same incident beam to serve simultaneously for the detection of the reflection and of the scattering. Therefore, each probe itself produces its own reference instead of a common reference being used for all the probes.
  • the assembly of the device comprising a plurality of probes thus benefits from a reduction in complexity and a considerable improvement in precision, thanks to the use of a reference by probe instead of a single reference.
  • the semi-transparent wall advantageously has, for an incidence of 45 °, a reflection rate of between 3 and 6%, and preferably equal to 5%.
  • Such a rate surprisingly offers a good quality of measurement, without it being necessary to produce a rate of higher reflection.
  • Such a wall can be obtained by the use of a simple ordinary glass.
  • the semi-transparent wall is treated to obtain a higher percentage of reflection.
  • the semi-transparent wall having a first surface on the side of the emission means and the detectors and a second surface on the side of the sample, the reflection detector is small enough to distinguish substantially only a single corresponding spot. to a reflection on the first surface of the semi-transparent wall.
  • the probe comprises at least one electronic processing card carrying the diffusion detector and / or the reflection detector.
  • these cards consist of:
  • the electronic treatment cards are for example integrated circuit boards made of epoxy resin.
  • the cards are advantageously provided with digital signal processing capacity (DSP or Dig ital Signal Processing) comprising a fast Fourier transformation module (FFT).
  • DSP digital signal processing capacity
  • Dig ital Signal Processing Dig ital Signal Processing
  • FFT fast Fourier transformation module
  • the electronic processing cards have an adjustable positioning, which makes it possible to adjust the position of the detectors.
  • the cards can be articulated by means of O-rings.
  • the probe preferably comprises an isolation partition provided for surrounding and isolating the beam reflected by the semi-transparent wall.
  • This insulating partition advantageously has a cone shape having a narrow side towards the semi-transparent wall and a wide side towards the reflection detector.
  • the insulation partition is preferably metallic.
  • the emission means having an emission end
  • the probe comprises a sphere of integration surrounding this end.
  • the diffusion detector is arranged as close as possible to the emission end. This detector thus sees an ang the important solid of the light diffused by the sample.
  • the scattering detector is far enough away from the direct reflection path of the incident beam by the semi-transparent wall to prevent the scattering measurements from being penalized too much by the specular reflection.
  • the reflection detector is q uant disposed on the direct reflection path of the incident beam.
  • the probe is provided for analyzing a liquid, preferably milk, and comprises a tank capable of containing the liquid and of being illuminated by the incident beam.
  • a probe can be used in a milking parlor, coupled with a milk meter from which a sample is taken.
  • the tank comprises: • the semi-transparent wall to the incident beam, and • a diffusing wall, opposite the emission means and the detectors with respect to the semi-transparent wall.
  • the semi-transparent and diffusing walls delimit a cavity intended to contain the liquid.
  • the diffusing wall is then advantageously made of ceramic, preferably alumina.
  • the diffusing wall is particularly useful when calibrating the probe with a reference liquid, for example water. I t is then interesting that the diffusing wall covered by the reference liquid has diffusion properties similar to those of the liquid sample to be measured.
  • the use of ceramic for the diffusing wall is particularly advantageous for this purpose for measurements on milk, the reference liquid being water.
  • this probe comprises a system for circulating the liquid inside the tank and in front of the incident beam, so as to allow the analysis of a liquid heterogeneous by weighting on a plurality of measures.
  • the probe comprises a system for collecting and rejecting the liquid comprising at least one inlet and at least one outlet.
  • a system for collecting and rejecting the liquid comprising at least one inlet and at least one outlet.
  • Such a system can be connected to a milk meter for sampling.
  • the combined use of the liquid circulation system and the liquid withdrawal and rejection system is particularly advantageous for carrying out series measurements (on-line) on a non-homogenized liquid, such as milk.
  • the liquid circulation system comprises a bubble trap
  • the liquid collection and discharge system comprises means for alternating reversing the direction of collection.
  • the liquid sample probe comprises a device for heating the liquid comprising:
  • a coiled electrically conductive tube preferably made of stainless steel, intended for the circulation of the liquid, and
  • the coiled tube thus constitutes a fine coil, which can reach, for example, 2 m in length and have a resistance of a few ohms.
  • this embodiment offers an almost instantaneous transfer of energy with very rapid regulation and it is economical.
  • the liquid analysis probe is such that the means for emitting an incident beam emit in the near infrared.
  • This embodiment is particularly effective for milk, and gives improved results compared to measurements carried out by infrared medium on homogenized milk.
  • a preferred wavelength range of the incident beam is between 1000 and 2500 nm.
  • the probe is applicable to a solid sample, such as for example fodder.
  • the semi-transparent wall to the incident beam is then intended to be applied directly against the sample.
  • the probe is used for spectral measurements on a sample.
  • the emission means of the probe are coupled to a monochromator. I t is then interesting to use a wavelength modulation-demod ulation technique.
  • the invention also relates to methods of measuring the properties of a sample with the probe for liquid analysis according to the invention.
  • the sample is milk and the probe is used as follows:
  • the probe before performing a series of analyzes, is calibrated with water. The specific contribution of the analyzed liquid sample is thus identified.
  • the swimming standard is advantageously carried out periodically, for example each day under normal milking conditions.
  • Fig ure 1 shows a long itud inal section of a compact optical probe according to the invention
  • Figure 2 shows in a long itudinal section opposite to that of Fig ure 1, part of the elements of the probe of the Figure 1 comprising the elements for detecting the light scattered by a sample;
  • Fig ure 3 shows along the section of Figure 1, a part of the elements of the probe of Fig ures 1 and 2, comprising the elements for detecting the light reflected directly by a wall of the probe;
  • Fig ure 4 is a block diagram showing in the form of functional blocks the probe of Fig ures 1 to 3 and the associated device, and Fig ure 5 schematically illustrates the use of the tank of the probe of Figures 1 to 4.
  • a compact optical probe 1 ( Figures 1 and 4) comprises an optical fiber 20 receiving light emitted from a source 2 by means of a wavelength modulation system 3.
  • This mod ulation system 3 preferably comprises a monochromator intended to function at near infrared.
  • the fiber 20 comprises an emission end 24 through which a light passing through this fiber 20 is intended to be sent to a sample. It is carried by a console 22 forming a bracket fixed on a base 54 ( Figures 1 and 3).
  • the fiber 20 is surrounded by a brass sleeve 21.
  • Probe 1 has a structure essentially comprising
  • FIG. 1 the base 54 forming the base of a tank 50, itself covered with a cover 60 inside which are arranged all of the light emission and detection elements.
  • the tank 50 comprises a wall 51 semi-transparent to the incident beam, that is to say in this case essentially transparent to the near infrared, consisting for example of a glass plate. This semi-transparent wall 51 separates the tank 50 from the optical elements arranged under the cover 60.
  • the probe 1 is provided with a set of detection components comprising on the one hand elements used for the detection of a light diffused by the sample and on the other hand of the elements intended to detect a light reflected directly by the semi-transparent wall 51.
  • the probe 1 thus comprises a diffusion detector 30 (FIG. 2) disposed near the end 24 of the optical fiber 20.
  • This detector 30 is carried by an integrated circuit card 31, formed for example of epoxy resin and positioned on three support columns 71 -73 by means of three positioning holes 74-76 respectively ( Figures 1 to 3).
  • the probe 1 also includes a reflection detector
  • This detector 40 ( Figures 1 and 3), capable of detecting a beam reflected directly from the wall 51 lit by means of the optic fiber 20.
  • This detector 40 is carried by an integrated circuit card 41 and is arranged relative to the orientation of fiber 20 according to the classic laws of specular reflection with respect to the sample.
  • a metal cone 43 is placed between the detector 40 and the sample, so as to surround and isolate the beam reflected by the semi-transparent wall 51 up to the detector 40.
  • This cone 43 includes a wide side 48 d towards the detector 40 and a narrow side 49 directed towards the semi-transparent wall 51. In addition, it carries a focusing lens 44.
  • the probe 1 is also provided with an integration sphere 45 surrounding the end 24 of the fiber 20.
  • the cards 31 and 41 are connected to a processing unit 4, which is also connected to the modulation system 3 ( Figure
  • the modulation system 3 and the demod ulation components of the cards 31 and 41 are synchronized by means of a clock 5 via a stepping motor 6 (Fig ure 4).
  • the clock 5 emits pulses at 12 MHz and the motor passes through 500 steps per revolution, and therefore produces 1000 pulses per revolution (use of half-steps).
  • the cards 31 and 41 are preferably provided with preamplifiers 36 and 46 respectively and with analog- Numeric 37 and 47 ( Figure 4).
  • these converters are 20 bit converters, which offers a very significant dynamic and avoids having to manage gains.
  • a digital signal processing module (DSP) 38 for example arranged on the broadcast processing card 31, receives information from the two converters 37 and 47.
  • the module 38 processes information relating to both diffused light and light directly reflected by the wall 51, and in particular includes capacities for calculating fast Fourier transformation and storing spectrum.
  • the tank 50 also comprises a diffusing wall 52, made for example of ceramic, which delimits with the transparent wall 51 a cavity 53 intended to contain a liquid such as milk.
  • a diffusing wall 52 made for example of ceramic, which delimits with the transparent wall 51 a cavity 53 intended to contain a liquid such as milk.
  • a cover 63 opposite the semi-transparent wall 51 of the tank 50, acts as a cover.
  • the cavity 53 is associated with a device for circulating the liquid inside the tank, in front of the incident beam emitted by the fiber 20 and therefore defines a circuit 57 internal to the tank 50 ( Figure 5).
  • a bubble trap 58 is placed in the circuit 57 to degas the liquid being analyzed.
  • the cavity 53 is associated with means for heating a liquid taken up comprising for example a coil made up of a long tube of stainless steel wound and tensioned, in which the liquid circulates.
  • a liquid such as milk is taken through the inlet 55 into the cavity 53 and is subjected to a series of measurements.
  • an incident beam is emitted by the fiber 20 towards a point P of the upper surface of the transparent wall 51 (Fig ures 1 to 3), and thus towards the sample, the sample representing the liquid within of cavity 53.
  • the modulation system 3 is operated so as to produce for example a signal having a wavelength between 1000 and 3000 nm and modulated in a slot at a frequency of 1 kHz.
  • the temperature of the assembly is for example maintained equal to 40 ° C + 2% and more precisely for the liquid, equal to 40 ° C + 1%. .
  • Data acquisitions are carried out by means of the analog digital converters 37 and 47, for example at a frequency of 40 acquisitions per period, ie at 40 kHz.
  • rapid Fourier transformations are performed over each period by means of the module 38, by carrying out sliding measurements by shifting the measurement period from point to point. This is done for 20 to 150 full periods, storing the results obtained for each of these full periods.
  • the liquid being heterogeneous for example milk
  • it is circulated in a closed circuit inside the cavity 53 in front of the measurement point P while carrying out multiple spectra, then the results obtained are weighted so as to get an average spectrum.
  • a calibration is carried out by taking water from the cavity 53.
  • no modulator is used and the measurements are carried out continuously.

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Abstract

L'invention concerne une sonde optique compacte ainsi qu'un procédé de mesure associé à cette sonde. La sonde (1) comprend des moyens d'émission (20) d'un faisceau lumineux incident sur un échantillon, un détecteur de diffusion capable de détecter de la lumière diffusée par l'échantillon et une paroi semi-transparente (51) au faisceau incident disposée de manière à séparer l'échantillon des moyens d'émission et de détecteur de diffusion. La sonde comprend aussi un détecteur de réflexion (40), capable de détecter un faisceau réfléchi directement par la paroi semi-transparente éclairée par ce même faisceau incident. Le faisceau réfléchi sert de référence pour le faisceau diffusé.

Description

Sonde optique compacte et procédé de mesure associé
La présente invention est relative à une sonde optique compacte de mesure de propriétés d'un échantillon et à un procédé de mesure avec une telle sonde. L'invention s'applique notamment à l'analyse de lait. Pour analyser le lait obtenu à la suite d'une traite d'animaux, il est connu de recueillir un échantillon dans un récipient de prélèvement, d'homogénéiser cet échantillon et de i'anaJyser en laboratoire. De telles mesures ne permettent pas des analyses en chaîne du lait prélevé pour chaque animal mais requièrent un traitement séparé, qui entraîne des délais et des opérations complexes pour obtenir des résultats. De plus, l'homogénéisation de l'échantillon est relativement coûteuse et complexe. Qui plus est, l'échantillon de lait homogénéisé ne peut pas être rejeté ultérieurement dans un réservoir, sous peine de provoquer une dégradation du lait contenu dans le réservoir par lipolyse, et est ainsi perdu.
Afin d'autoriser un traitement en chaîne en cours de traite ou aussitôt après, il a été proposé de disposer des sondes optiques directement dans la salle de traite, ' les sondes étant associées respectivement à des compteurs à lait. Chacune des sondes comprend une fibre optique d'entrée et une fibre optique de sortie, et toutes les sondes sont reliées à un analyseur, destiné à analyser les signaux provenant des différentes sondes. L'analyseur reçoit également un signal de référence qui permet de corriger les mesures obtenues pour ces sondes.
L'invention vise une sonde optique compacte avantageusement pour compteur à lait, permettant d'obtenir un dispositif de mesure ayant un encombrement réduit et pouvant être économique. La sonde de l'invention permet aussi de réduire sensiblement le bruit, d'un facteur pouvant atteindre 5 à 6, ainsi que les fluctuations, d'un facteur pouvant être supérieur à 10.
Dans le cas du lait, la sonde de l'invention rend également possible une récupération du lait analysé, celui-ci pouvant être rejeté directement dans le réservoir sans risque de lipolyse. La sonde optique compacte de l'invention s'appliq ue plus généralement à la mesure de diverses matières liq uides, semi- solides ou solides , telles q ue par exemple du fourrage.
L'invention a également pour objet un procédé de mesure de propriétés d'un échantillon avec la sonde de l'invention.
A cet effet, l'invention s'applique à une sonde optiq ue compacte de mesure de propriétés d'un échantillon , comprenant:
• des moyens d 'émission d'un faisceau lumineux incident sur l'échantillon , • un détecteur de diffusion , capable de détecter de la lumière diffusée par l'échantillon éclairé par le faisceau incident, et
• une paroi semi-transparente au faisceau incident, disposée de manière à séparer l'échantillon des moyens d'émission et d u détecteur de diffusion.
Selon l'invention, la sonde comprend aussi un détecteur de réflexion, capable de détecter un faisceau réfléchi directement par la paroi semi-transparente éclairée par le même faisceau incident, le faisceau réfléchi servant de référence pour le faisceau diffusé. Ainsi, contrairement aux dispositifs existants, la paroi semi- transparente a u ne double fonction de séparation et de semi- réflexion , ce q ui permet notamment au même faisceau incident de servir simultanément à la détection de la réflexion et de la d iffusion . Par conséquent, chaque sonde produit elle même sa propre référence au lieu qu'une référence commune soit utilisée pour toutes les sondes.
L'ensemble d u dispositif comprenant une pluralité de sondes bénéficie ainsi d'une réduction de complexité et d'u ne amélioration considérable de la précision , grâce à l'utilisation d'une référence par sonde au lieu d' une référence unique.
La paroi semi-transparente a avantageusement pour u ne incidence de 45° un taux de réflexion compris entre 3 et 6%, et préférentiellement égal à 5% .
Un tel taux offre de manière surprenante une bonne qualité de mesure, sans qu'il soit nécessaire de prod uire un taux de réflexion plus élevé. Une telle paroi peut être obtenue par l'utilisation d'un simple verre ord inaire.
Dans une variante de réalisation , la paroi semi-transparente est traitée pour obtenir un pourcentage plus élevé de réflexion. Préférentiellement, la paroi semi-transparente ayant u ne première surface du côté des moyens d'émission et des détecteurs et une seconde surface du côté de l'échantillon , le détecteur de réflexion est suffisamment petit pour ne distinguer sensiblement qu'une seule tache correspondant à une réflexion sur la première surface de la paroi semi-transparente.
On évite ainsi la détection d'une lumière de diffusion provenant des réflexions secondaires sur des surfaces inférieures. De plus, un tel détecteur est économique et permet d 'obtenir un bon rapport sig nal sur bruit. De préférence, la sonde comprend au moins une carte de traitement électronique portant le détecteur de diffusion et/ou le détecteur de réflexion.
Ainsi , les fonctions de traitement numérique sont réparties dans les différentes sondes au lieu d'être concentrées dans un analyseur central, ce qui simplifie considérablement le traitement des mesures. De plus, la compacité de chaque sonde n'est pas affectée par la présence de ces cartes, q ui ont non seu lement u ne fonction de traitement n umériq ue mais aussi une fonction de support pour les détecteurs. Dans une réalisation préférée, ces cartes consistent en:
• une carte de traitement de d iffusion portant le détecteur de diffusion , et
• une carte de traitement de réflexion portant le détecteur de réflexion. Ainsi, l'intég ration des fonctions de calcul et de support est effectuée à la fois pour les signaux porteurs d'informations sur l'échantillon et pour les sig naux de référence.
Les cartes de traitement électroniq ues sont par exemple des cartes de circuit intég ré en résine époxy. De plus, les cartes sont avantageusement pourvues de capacité de traitement numérique des sig naux (DSP ou Dig ital Signal Processing) comprenant un module de transformation de Fourier rapide (FFT) . Préférentiellement, les cartes de traitement électroniq ue ont un positionnement réglable, qui permet d'ajuster la position des détecteu rs. Par exemple, les cartes sont articulables au moyen de joints toriq ues.
La sonde comprend préférentiellement une cloison d'isolation prévue pour entourer et isoler le faisceau réfléchi par la paroi semi-transparente. Cette cloison d'isolation a avantageusement une forme de cône ayant un côté étroit vers la paroi semi-transparente et un côté large vers le détecteur de réflexion . De plus, il est intéressant que la cloison d'isolation porte une lentille de focalisation prévue pour focaliser le faisceau réfléchi directement par la paroi semi-transparente sur le détecteur de réflexion. La cloison d'isolation est préférentiellement métallique.
Avantageusement, les moyens d'émission ayant une extrémité d'émission , la sonde comprend une sphère d'intég ration entourant cette extrémité.
Le positionnement des détecteurs de diffusion et de réflexion met en jeu d'une part leur proximité par rapport à l'extrémité d'émission et d'autre part leur orientation par rapport au faisceau incident. I l s'agit d'obtenir un rapport suffisamment élevé entre la lumière d iffusée et la lumière réfléchie détectée. De préférence, le détecteur de diffusion est disposé au plus près de l'extrémité d'émission . Ce détecteur voit ainsi un ang le solide important de la lumière d iffusée par l'échantillon . De plus, le détecteur de diffusion est suffisamment éloig né d u trajet de réflexion d irect du faisceau incident par la paroi semi-transparente pour éviter que les mesures de diffusion ne soient trop pénalisées par la réflexion spécu laire. Le détecteur de réflexion est q uant à lui disposé sur le trajet de réflexion directe d u faisceau incident. Dans une forme de réalisation préférée, la sonde est prévue pour analyser un liquide, préférentiellement du lait, et comprend une cuve capable de contenir le liq uide et d'être éclairée par le faisceau incident. U ne telle sonde peut être utilisée dans une salle de traite, en éta nt couplée à un compteur à lait dans lequel un échantillon est prélevé.
Préférentiellement, la cuve comprend : • la paroi semi-transparente au faisceau incident, et • u ne paroi diffusante, opposée aux moyens d'émission et aux détecteurs par rapport à la paroi semi-transparente. Les parois semi-transparente et diffusante délimitent une cavité destinée à contenir le liquide.
La paroi diffusante est alors avantageusement constituée en céramique, préférentiellement en alumine.
La paroi diffusante est particulièrement utile lors d'un étalonnage de la sonde avec un liquide de référence, par exemple de l'eau. I l est alors intéressant que la paroi diffusante recouverte par le liq uide de référence ait des propriétés de diffusion analog ues à celles de l'échantillon liq uide à mesurer. L'utilisation de céramique pour la paroi diffusante est particulièrement avantageuse à cet effet pour des mesures sur du lait, le liq uide de référence étant de l'eau.
Dans un mode de réalisation avantageux de la sonde pour analyse de liq uide, cette sonde comprend un système de circulation d u liq uide à l'intérieur de la cuve et devant le faisceau incident, de manière à autoriser l'analyse d'un liq uide hétérogène par une pondération sur une pluralité de mesures.
On peut ainsi s'abstenir de toute homogénéisation du liq uide avant les mesures . Pour le lait, par exemple, on évite de cette manière de devoir jeter l'échantillon analysé et on peut le verser tel q uel dans le réservoir sans risque de lipolyse.
I l est également avantageux q ue la sonde comprenne un système de prélèvement et de rejet du liq uide comportant au moins une entrée et au moins une sortie. Un tel système peut être branché su r un compteur à lait pour les prélèvements d'échantillon.
L'utilisation combinée du système de circulation du liquide et d u système de prélèvement et de rejet du liquide est particulièrement avantageuse pour effectuer des mesures en série (on-line) su r un liq uide non homogénéisé, tel que du lait.
Dans une réalisation préférée d' une telle sonde:
• le système de circulation du liq uide comprend un piège à bulles, et • le système de prélèvement et de rejet du liquide comprend des moyens d'inversion alternative du sens de prélèvement.
Ainsi, lors de chaq ue prélèvement, l'interversion de l'entrée et de la sortie du système de prélèvement et de rejet permet d'évacuer des bulles contenues dans le piège à bulles.
Avantageusement, la sonde pour échantillon liquide comprend un dispositif de chauffage du liquide comportant:
• un tube électriquement conducteur enroulé, préférentiellement en acier inoxydable, prévu pour la circulation du liquide, et
• des moyens d'application d'une tension aux bornes du tube conducteur.
Le tube enroulé constitue ainsi un serpentin fin , pouvant atteind re par exemple 2 m de longueur et avoir une résistance de q uelq ues ohms. Par rapport à des systèmes classiq ues d 'échangeurs de température, cette réalisation offre un transfert d'énerg ie quasi instantané à rég ulation très rapide et elle est économique .
Préférentiellement, la sonde pour analyse de liquide est telle q ue les moyens d'émission d u faisceau incident émettent dans le proche infrarouge.
Cette réalisation est particulièrement efficace pour d u lait, et donne des résultats améliorés par rapport à des mesures effectuées en moyen infrarouge sur du lait homogénéisé. U ne plage préférée de longueurs d'onde d u faisceau incident s'étend entre 1 000 et 2500 nm.
Dans d'a utres modes de réalisation , la sonde est applicable à un échantillon solide, tel que par exemple d u fourrage. La paroi semi-transparente au faisceau incident est alors destinée à être appliq uée directement contre l'échantillon.
Avantageusement, la sonde est utilisée pour des mesures spectrales sur u n échantillon . Ainsi, dans un mode de réalisation préféré, les moyens d'émission de la sonde sont couplés à un monochromateur. I l est alors intéressant d'utiliser une technique de modulation-démod ulation en longueur d'onde.
L'invention a également pour objet des procédés de mesure de propriétés d' un échantillon avec la sonde pour analyse de liquide selon l'invention. Dans l'un de ces procédés préférés, mettant en jeu la sonde avec le système de prélèvement et de rejet d u liquide, l'échantillon est du lait et on utilise la sonde de la manière suivante:
• on prélève du lait dans la sonde à partir d'un compteur à lait, • on effectue l'analyse du lait prélevé au moyen de la sonde, et
• on rejette le lait analysé dans un réservoir.
Dans un autre de ces procédés préférés, avant d 'effectuer une série d 'analyses, on étalonne la sonde avec de l'eau . On dégage ainsi la contribution spécifique de l'échantillon liq uide analysé. L'étalon nage est avantageusement effectué périod iquement, par exemple chaq ue jour dans des conditions normales de traite.
L'invention sera illustrée et mieux comprise au moyen d'exemples particu liers de réalisation et de mise en œuvre, en référence aux dessins annexés, su r lesq uels:
La Fig ure 1 représente une coupe long itud inale d'une sonde optique compacte selon l'invention;
La Figure 2 montre selon une coupe long itudinale opposée à celle de la Fig ure 1 , une partie des éléments de la sonde de la Figure 1 comprenant les éléments de détection de la lumière diffusée par un écha ntillon ;
La Fig ure 3 montre selon la coupe de la Figure 1 , une partie des éléments de la sonde des Fig ures 1 et 2, comprenant les éléments de détection de la lumière réfléchie directement par une paroi de la sonde;
La Fig ure 4 est un schéma de principe représentant sous forme de blocs fonctionnels la sonde des Fig ures 1 à 3 et le d ispositif associé, et La Fig ure 5 illustre de manière schématique l'utilisation de la cuve de la sonde des Figures 1 à 4.
Le contenu des figures jointes doit être considéré comme faisant partie intégrante de la description .
Une sonde 1 optiq ue compacte (Figures 1 et 4) comprend une fibre optique 20 recevant une lumière émise d'une source 2 par l'intermédiaire d' un système de modulation en long ueur d'onde 3. Ce système de mod ulation 3 comprend préférentiellement un monochromateur prévu pour fonction ner en proche infrarouge. De plus, il est avantageusement pourvu d'un découpeur (chopper). La fibre 20 comprend une extrémité d'émission 24 par laq uelle une lumière traversant cette fibre 20 est destinée à être envoyée sur un échantillon. Elle est portée par une console 22 formant équerre fixée su r u n socle 54 (Figures 1 et 3). La fibre 20 est entourée d'un manchon 21 en laiton . La sonde 1 a u ne structure comprenant essentiellement
(Figure 1 ) le socle 54 formant la base d'une cuve 50, elle-même recouverte d'u n capot 60 à l'intérieur duquel sont disposés l'ensemble des éléments d'émission et de détection de lumière. La cuve 50 comprend une paroi 51 semi-transparente au faisceau incident, c'est-à-dire en l'occurrence essentiellement transparente au proche infrarouge, constituée par exemple d'une plaq ue de verre. Cette paroi semi-transparente 51 sépare la cuve 50 des éléments optiques d isposés sous le capot 60.
La sonde 1 est munie d'un ensemble de composants de détection comprenant d' une part des éléments utilisés pour la détection d'une lumière d iffusée par l'échantillon et d'autre part des éléments prévus pour détecter une lumière réfléchie directement par la paroi semi-transparente 51 .
La sonde 1 comprend ainsi un détecteur de diffusion 30 (Figure 2) disposé à proximité de l'extrémité 24 de la fibre optique 20. Ce détecteur 30 est porté par une carte 31 de circuit intégré, formé par exemple en résine époxy et positionnée sur trois colonnes de support 71 -73 au moyen de respectivement trois trous de positionnement 74-76 (Figures 1 à 3). La sonde 1 comprend également un détecteur de réflexion
40 (Figures 1 et 3), capable de détecter un faisceau réfléchi directement par la paroi 51 éclairée au moyen de la fibre optiq ue 20. Ce détecteur 40 est porté par une carte 41 de circuit intégré et est disposé par rapport à l'orientation de la fibre 20 selon les lois classiq ues de la réflexion spéculaire par rapport à l'échantillon. Un cône 43 métallique est disposé entre le détecteur 40 et l'échantillon , de façon à entourer et à isoler jusqu'au détecteur 40 le faisceau réfléchi par la paroi semi-transparente 51 . Ce cône 43 comprend un côté large 48 d irigé vers le détecteur 40 et un côté étroit 49 dirigé vers la paroi semi-transparente 51 . De plus, il porte u ne lentille de focalisation 44.
La sonde 1 est également pourvue d'une sphère d 'intég ration 45 entourant l'extrémité 24 de la fibre 20.
Les cartes 31 et 41 sont reliées à une unité de traitement 4, qui est également con nectée au système de modulation 3 (Figure
4) .
Le système de modulation 3 et les composantes de démod ulation des cartes 31 et 41 sont synchronisés au moyen d'une horloge 5 par l'intermédiaire d'un moteur pas à pas 6 (Fig ure 4) . Par exemple, l'horloge 5 émet des impulsions à 12 MHz et le moteu r parcou rt 500 pas par tour, et produit donc 1 000 impulsions par tour (utilisation des demi-pas).
En ce qui concerne le traitement des signaux, les cartes 31 et 41 sont de préférence munies respectivement de préamplificateurs 36 et 46 et de convertisseurs analogique- numérique 37 et 47 (Figure 4). A titre d 'exemple, ces convertisseurs sont des convertisseurs à 20 bits, ce qui offre u ne dynamiq ue très importante et évite de devoir gérer des gains.
Un mod ule de traitement numérique des signaux (DSP) 38, par exemple disposé sur la carte 31 de traitement de diffusion, reçoit des informations en provenance des deux convertisseurs 37 et 47. Le mod ule 38 traite des informations relatives à la fois à la lumière d iffusée et à la lumière réfléchie directement par la paroi 51 , et comprend notamment des capacités de calcul de transformation de Fourier rapide et de stockage de spectre.
La cuve 50 comprend également une paroi diffusante 52, constituée par exemple de céramique, qui délimite avec la paroi transparente 51 une cavité 53 destinée à contenir un liquide tel que d u lait. Une entrée 55 et une sortie 56 de liquide, ayant des fonctions interchangeables, permettent d'introduire le liq uide dans la cavité 53 et de l'en extraire, à l'aide d'un dispositif de prélèvement et de rejet de liquide. Un couvercle 63, opposé à la paroi semi-transparente 51 de la cuve 50, fait office de cache.
La cavité 53 est associée à un dispositif de circulation du liq uide à l'intérieur de la cuve, devant le faisceau incident émis par la fibre 20 et définit donc un circuit 57 interne à la cuve 50 (Figure 5). Un piège à bulles 58 est disposé dans le circuit 57 pour dégazer le liq uide analysé.
De plus, la cavité 53 est associée à des moyens de chauffage d u liq uide prélevé comprenant par exemple un serpentin constitué d'u n long tube d'acier inoxydable enroulé et mis sous tension , dans leq uel circule le liquide.
En fonction nement, .u n liquide tel q ue du lait est prélevé par l'entrée 55 dans la cavité 53 et il est soumis à une série de mesures . Pour cela, un faisceau incident est émis par la fibre 20 vers un point P de la surface supérieu re de la paroi transparente 51 (Fig ures 1 à 3) , et ainsi vers l'échantillon , l'échantillon représentant le liq uide au sein de la cavité 53.
On fait fonctionner le système de modulation 3 de manière à produire par exemple un signal ayant une longueur d'onde comprise entre 1000 et 3000 nm et modulé en créneau à une fréq uence de 1 kHz.
La température de l'ensemble est par exemple maintenue égale à 40°C + 2% et plus précisément pour le liquide, égale à 40°C + 1 %..
On procède, au moyen des convertisseurs analog iq ue- numérique 37 et 47, à des acquisitions de données, par exemple à une fréquence de 40 acquisitions par période, soit à 40 kHz. Pour chaq ue longueur d'onde de la modulation produite dans le faisceau incident, on effectue sur chaque période des transformations de Fourier rapides au moyen du module 38, en effectuant des mesures glissantes par décalage de la période de mesure de point en point. On procède de la sorte pour 20 à 1 50 périodes complètes, en stockant les résultats obtenus pou r chacune de ces périodes complètes.
On passe ensuite à une autre longueur d'onde de la mod ulation produite par le système de modulation 3, et on procède de la même manière que précédemment. On répète ces opérations sur environ 300 longueurs d'onde, espacées par exemple de 3 nm, ce q ui permet d'obtenir finalement un spectre de réponse de l'échantillon ayant une amplitude d'environ 0,9 μm . Pour vingt périodes complètes d'une ms, les 300 points d u spectre requièrent ainsi environ 0,6 seconde.
Le liq uide étant hétérogène, par exemple d u lait, on fait circuler celui-ci en circuit fermé à l'intérieur de la cavité 53 devant le point P de mesure tout en réalisant de multiples spectres, puis on pondère les résultats obtenus de façon à obtenir un spectre moyen . On prend ainsi en compte l'hétérogénéité d u liq uide grâce à u n nombre suffisant de spectres. U ne fois que le liq uide prélevé dans la cuve 50 est considéré comme analysé d 'une manière suffisante, soit par l'obtention d 'un nombre donné de spectres, soit par la réalisation d'un critère de convergence sur la moyenne des spectres, on rejette le liquide par la sortie 56 et on effectue un nouveau prélèvement par l'entrée 55. Afin de décharger le piège à bulles 58, on impose alors au liquide prélevé dans la cavité 53 de circuler dans un sens 62 du circuit 57 opposé au sens 61 de circulation adopté précédemment (Figure 5). Dans le cas où le liquide est du lait, celui-ci peut être rejeté directement dans le réservoir puisqu'il a conservé sa forme hétérogène.
Avant chaque série de mesures sur le liquide à analyser, on procède à un étalonnage en prélevant de l'eau dans la cavité 53.
Dans une variante de réalisation, on n'utilise pas de modulateur et on effectue les mesures en continu.

Claims

REVENDI CATIONS
1 . Sonde optique compacte ( 1 ) de mesure de propriétés d'un échantillon, comprenant:
• des moyens d'émission (20) d'un faisceau lu mineux incident sur l'échantillon ,
• u n détecteur de diffusion (30), capable de détecter de la lumière diffusée par l'échantillon éclairé par le faisceau incident, et
• une paroi semi-transparente (51 ) au faisceau incident, disposée de manière à séparer l'échantillon des moyens d'émission (20) et du détecteur de diffusion (30),
• un détecteur de réflexion (40), capable de détecter un faisceau réfléchi directement par la paroi semi- transparente (51 ) éclairée par ledit même faisceau incident, ledit faisceau réfléchi servant de référence pour le faisceau diffusé, caractérisée en ce que la paroi semi-transparente (51 ) ayant une première surface du côté des moyens d'émission (20) et des détecteurs (30, 40) et une seconde surface du côté de l'échantillon , le détecteur de réflexion (40) est suffisamment petit pour ne distinguer sensiblement qu'une seule tache correspondant à une réflexion sur la première surface de la paroi semi-transparente (51 ), et en ce que l'échantillon est un liqu ide à analyser préférentiellement du lait, et la sonde comprend une cuve (50) capable de contenir le liquide et d'être éclairée par le faisceau incident.
2. Sonde selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la paroi semi-transparente (51 ) a pour une incidence de 45° un taux de réflexion compris entre 3 et 6% , et préférentiellement égal à 5%.
3. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une carte de traitement électronique (31 , 41 ) portant le détecteur de diffusion (30) et/ou le détecteur de réflexion (40).
4. Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites cartes consistent en:
• une carte de traitement de diffusion (31 ) portant le détecteur de diffusion (30), et • une carte de traitement de réflexion (41 ) portant le détecteur de réflexion (40).
5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une cloison d'isolation (43) prévue pour entourer et isoler le faisceau réfléchi par la paroi semi-transparente (51 ), ayant avantageusement une forme de cône ayant un côté étroit vers la paroi semi- transparente (51 ) et un côté large vers le détecteur de réflexion (40).
6. Sonde selon la revendication 5, caractérisée en ce que la cloison d'isolation (43) porte une lentille de focalisation (44) prévue pour focaliser le faisceau réfléchi directement par la première surface de la paroi semi-transparente (51 ) sur le détecteur de réflexion (40).
7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens d'émission (20) ayant une extrémité d'émission (24), la sonde (1 ) comprend une sphère d'intégration (45) entourant ladite extrémité (24).
8. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la cuve (50) comprend: • ladite paroi semi-transparente (51 ), et
• une paroi diffusante (52), opposée aux moyens d'émission (20) et aux détecteurs (30, 40) par rapport à la paroi semi- transparente (51 ), les parois semi-transparente (51 ) et diffusante (52) délimitant une cavité (53) destinée à contenir le liquide.
9. Sonde selon la revendication 8, caractérisé en ce que la paroi diffusante (52) est constituée en céramique, préférentiellement en alumine.
10. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de circulation du liquide (57) à l'intérieur de la cuve (50) et devant le faisceau incident, de manière à autoriser l'analyse d'un liquide hétérogène par une pondération sur une pluralité de mesures.
1 1 . Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de prélèvement et de rejet du liquide comportant au moins une entrée (55) et au moins une sortie (56).
12. Sonde selon les revendications 10 et 1 1 , caractérisée en ce que: • le système de circulation (57) du liquide comprend un piège à bulles (58), et
• le système de prélèvement et de rejet du liquide comprend des moyens d'inversion alternative du sens (61 , 62) de prélèvement.
13. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de chauffage du liquide comportant:
• un tube électriquement conducteur enroulé, préférentiellement en acier inoxydable, prévu pour la circulation du liquide, et
• des moyens d'application d'une tension aux bornes du tube conducteur.
14. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les moyens d'émission (20) du faisceau incident émettent dans le proche infrarouge.
15. Procédé de mesure des propriétés d'un échantillon avec la sonde (1 ) conforme à la revendication 1 1 et à l'une quelconque des revendications 1 1 à 14, caractérisé en ce que l'échantillon est du lait et en ce qu'on utilise la sonde (1 ) de la manière suivante:
• on prélève du lait dans la sonde (1 ) à partir d'un compteur à lait,
• on effectue l'analyse du lait prélevé au moyen de la sonde
(1 ) et • on rejette le lait analysé dans un réservoir.
16. Procédé de mesure de propriétés d'un échantillon avec la sonde conforme à l'une une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'avant d'effectuer une série d'analyses, on étalonne la sonde (1 ) avec de l'eau.
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