Brevet FR2400193A1 — publié le 19790309

La présente invention concerne les capteurs de température. Une application de ceux-ci est la détection des surchauffes et des incendies. Dans certaines applications,(par exemple dans les aéronefs), les surchauffes et les incendies doivent être détectés dans un certain nombre de zones différentes. A cet effet, on connais des arrangements détecteurs comprenant des détecteurs longitudinaux qui peuvent être placés autour d'une zone ou d'une structure dans laquelle ou en des points autour desquels les surchauffes et les incendies doivent être détectés. Untel type de détecteur comprend un fil électrique dont la résistance change avec la température. Un autre exemple comprend plusieurs conducteurs électriques placés côte à cote, sur la zone à détecter ou autour de celle-ei, et disposés de manière que leur capacité mutuelle varie avec la température. Cependant, ces arrangements présentent l'inconvénient d'être sensibles aux interférences électriques dues à d'autres sources d'énergie électrique irradiée, car leur fonctionnement est essentiellement électrique. L'invention concerne un capteur perfectionné de température. Plus précisément, elle concerne un capteur de température qui comporte un émetteur longitudinal de radiations électromagné- tiques dont les caractéristiques sont telles que les radiations transmises longitudinalement varient avec la température de cet émetteur ou d'une partie de celui-ci, et un dispositif de transformation des radiations en signaux électriques, recevant les radiations après leur transmission le long de l'émetteur et créant un signal électrique qui dépend des variations-des radiations dues aux variations de la température. D'autres caractéristiques et avantages de captetuSde température et dsappareilsde détection de température comprenant des capteurs selon l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexes sur lesquels la figure 1 est un diagramme synoptique de l'un des capteurs de température et du circuit associé, dans un appareil de détection les figures 2, 3 et 4 sont des graphiques représentant des variations possibles de certains paramètres du capteur et de l'appareil de la figure I les figures 5 et 6 sont des diagrammes synoptiques d'autres capteurs de -température, avec dan-s chaque cas le circuit associé, dans d'autres appareils de détection ; et la figure 7 est un graphique représentant des variations possibles de certains paramètres des capteurs et appareils des figures 5 et 6. Le capteur de température représenté sur la figure I comprend un câble 10 de fibres optiques qui, lors de ltutilisa- tion, est disposé physiquement suivant une courbe le long de laquelle la température doit être détectée. Le cable est en une matière qui peut transmettre les radiations de la partie optique du spectre électromagnétique (cette partie comprenant les radiations infrarouges, visibles et ultraviolettes) et dont les propriétés de transmission (par exemple spectrales, de polarisation et d'amplitude) varient avec la température ; ainsi, les propriétés de transmission peuvent subir une variation générale avec la température ou elles peuvent changer à une longueur blonde particulière ou une plage de longueurs d'onde.Ces changementu peuvent apparaltre progressivement ou brutalement lorsque la température varie. Le cable 10 peut comprendre un faisceau de fibres optiques individuelles ou une seule fibre, avantageusement formé d'une matière ayant des propriétés thermochromes. la sélection de cette matière dépend de la plage de températures de fonctionnement du capteur, de la vitesse prévue de montée de la température, de la température ambiante et d'autres paramètres. lès exemples de telles matières sont des verres contenant du sulfure de cadmium, du bromure d'argent, certains halogénures ou oxydeede métaux lourds, ainsi que l'uranium, les verres à base de sulfure et de séléniure, l'alumine et la silice dopés par l'oxyde de cuivre, l'oxyde de chrome, le pentoxyde de phosphore, l'oxyde de cobalt, l'oxyde de nickel, les oxydes de fer, 11 oxyde de cérium et analogues, mais cette liste n'est pas exhaustive car d'autres matières peuvent être avantageuses. Le diamètre du cable dépend de la souplesse nécessaire qui dépend elle-meme de l'application particulière et du nombre de plis et de courbes nécessaires ; un cabale de petit diamètre, en mue ratière donnée, a évidemment un rayon de pliage minimal réduit. Le diamètre peut aussi affecter les propriétés de conduction des radiations de la fibre. Lorsque le câble comprend une seule fibre, une cassure provoque une disparition totale de la transmission lumineuse sauf lorsque la surface le fracture peut être utilisée pour la réflexion des radiations suivant son trajet vers un récepteur placé du côté de l'émetteur. Lorsque le câ@le comprend plusieurs fibres le revente ment de chacune d'elles par une matière diélectrique de plus frible indice de réfraction (à la longueur d'onde de la lumière à transmettre) peut éviter ou réduire les pertes par transmission à partir des fibres individuelles. Le caAble peut avoir une gaine protectrice. Comme indiqué sur la figure 1, le câble 10 est associé à une source 12 de radiations qui reçoit l'énergie d'une alimen tation 14. La source 12 peut être une diode photo-émissive, une lampe à filament, un tue à décharge ou tout autre dispositif capable de produire des radiations dans la partie convenable du spectre électromagnétiq'-e. La source 12 est couplée optiquement à l'extrémité de la fibre 10 par un connecteur optique convenable non représenté, et cette extrémité du capable est avantageusement polie. Un récepteur 16 des radiations est placé à l'autre extrémité du cable 10, qui est aussi de préférence polie. Ce récepteur comprend un dispositif qui, à la longueur d'onde des radiations transmises par le cabale 10, peut transformer une ou plusieurs propriétés des radiations (des variations d'amplitude et/ou spectrales par exemple) en signaux électriques. Des exemples de récepteurs convenant sont des dispositifs photorésistifs ou photovoltaïques ou des phototransistors. Le signal du récepteur 16 est transmis à un circuit 10 d'analyse (après amplification convenable le cas échéant). Ce circuit 18 peut assurer la comparaison du sigral électrique du récepteur 16 à une ou plusieurs références prédéterminées. Le circuit 18 d'analyse commande un appareil o@ ensemble 20 d'alarme ou de mesure. Ainsi, l'ensemble 20 peut comprendre simplement un circuit d'avertissement donnant une indication lorsque le signal d'entrée montre que la température du câble 10 ou d'une partie de celui-ci a dépassé une ou plusieurs limites prédéterminées. Cependant l'ensemble 20 peut comprendre aussi un circuit convenable de mesure donnant une indication variant avec la température du capable 10 ou d'une partie de celui-ci. Le récepteur 16 peut être combiné à un filtre optique convenable destiné à délimiter par exemple une bande passante ou une coupure nette ou une variation nette des propriétés de transmission des radiations à une température choisie du câble 10. La source 12 peut comprendre un dispositif émettant dans au moins deux plages de longueurs d'onde et qui, en combinaison avec un récepteur 16 sensible à une bande large recouvrant les deux régions ou juste aux régions particulières, permet la détection facile des variations de température qui modifient l'équilibre entre les deux régions. Comme les propriétés de transmission du câble 10 peuvent être affectées par la longueur du câble qui est soumise à l'élé- vation de température ainsi que par la température réelle, l'analyse des signaux à réaliser par le circuit 18 peut entre complexe. li1 indice de réfraction de la matière de la fibre peut aussi varier avec la température et, en mAme temps que ce phénomène, les propriétés d'absorption de la fibre peuvent changer. Les variations d'indice de réfraction modifient la direction de parcours des radiations donc l'angle de réflexion aux parois de la fibre qui a une longueur de trajet optique modifiée et présente ainsi une variation de l'intensité des radiations tombant sur le récepteur à liextrémité de la fibre.Ta ratière de la fibre peut etre choisie afin que son indice de réfraction varie notablement avec la température si bien qutil apparaît en fait une variation notable de l'intensité des radiations parvenant au récepteur, cette variation pouvant être ^atillsée pour la détection du changement de température. La figure 2 qui, comme les figures 7 et 4, représente les variation de caractéristiques spectrales, portées en ordonnées, en fonction de la longueur d'onde, portée en abscisse, les courbes A et B montrent comment les propriétés de transmission de la lumière d'un exemple de fibre optique varient avec la longueur d'onde de la lumière émise à différentes températures. La courbe A représente les variations lorsque la fibre est à température ambiante. La courbe B représente ces variations lorsque la fibre est à 2000C par exemple. ha courbe C représente une caractéristique supposée sensibilité-longueur d'onde d'une source lumineuse convenable 12. Enfin, la courbe D représente un exemple de caractéristique possible sensibilité-longueur onde d'une combinaison dlun récepteur lumineux et d'un filtre. La figure 3 correspond à la figure 2 mais elle représente l'effet obtenu lorsque la matière de la fibre est telle que l'augmentation de température (courbe B) provoque une réduction des radiations transmises dans une plage particulière de longueurs d'onde, par rapport à la transmission à température ambiante (courbe A). Sur la figure 3, la courbe D représente la caractéristique sensibilité-longueur d'onde d'une combinaison d'un récepteur et d'un filtre ayant deux récepteurs dont l'un a une sensibilité minimale au point X (auquel la courbe B est maximale) et l'autre a une sensibilité maximale au point Y (auquel la courbe B est minimal9. La comparaison des signaux des deux récepteurs permet une augmentation de la sensibilité de détection de la température correspondant à la courbe B. La figure 4 correspond à la figure 2 et représente le cas ou la matière de la fibre a un effet tel que l'augmentation de température (courbe B) provoque une réduction générale des radiations transmises par rapport à celles qui sont transmises à basse température (courbe A). Le tracé de telles courbes pour diverses matières et pour divers récepteurs, sources et filtres de lumière, permet la sélection d'une combinaison donnant une coupure nette des propriétés de transmission de la lumière du câble 10 à une température particulière, si bien que la sensibilité globale de l'appa- reil est élevée et l'appareil convient particulièrement bien à la détection des incendies. La sélection d'une matière convenable pour ler cable permet la suppression du récepteur 16 et la transmission d'une variation spectrale ou d'amplitude dépendant de la température et directement visible par un observateur, sous forme d'une indication de la variation de température. D'autres émetteurs longitudinaux de radiations électromagnétiques - peuvent remplacer les fibres optiques, par exemple un tube rempli d'un fluide convenable, liquide ou gazeux. De tels fluides peuvent modifier les propriétés des radiations électromagnétiques suivant la température de diverses manières comme indiqué précédemment, par exemple par modification des propriétés de transmission spectrale ou d'amplitude (notamment par modification de l'indice de réfraction). Dans une autre variante, la matière de la fibre ou d'autres émetteurs longitudinaux peut être telle qu'elle fait tourner le plan de polarisation des radiations d'une quantité qui dépend de la variation de température si bien que cette variation peut être détectée ou mesurée. Ainsi, lors de l'utilisation d'une telle matière, un filtre polarisant peut être placé à l'extrémité de l'émetteur juste avant lerécepteur avec une orientation, dépendant de la matière de la fibre ou de l'autre émetteur, et du plan de polarisation des radiations de l'émetteur, de manière que les radiations transmises par le filtre soient maximales à la température à détecter. D'autres arrangements sont évidemment possibles. Les arrangements des figures 5 et 6 diffèrent de celui de la figure 1 en c e que la source 12 est supprimée. Dans le cas de ces figures, la fibre optique 10 est donc placée autour de la zone à controler, de manière que, lorsque la température augmente (indiquant un incendie par exemple) elle émette elle-même des radiations qui sont détectées (comme décrit plus en détail) par un récepteur convenable 30 placé à l'une des extrémités. La fibre 10 peut ainsi détecter uneaariation générale de température sur une partie importante de sa longueur (par eKemple 7 m) ou des températures plus élevées dans un tronçon plus court de sa longueur. Dans l'appareil de la figure 5, les radiations émises à une première extrémité dela fibre 10 (lorsque la température augmente) sont modulées par un circuit convenable 32. Celui-ci peut être de tout type convenable et par exemple un modulateur mécanique tel qu'ure obturateur commandé mécaniquement, placé entre l'extrémité de la fibre 10 et le récepteur 30. Un autre modulateur mécanique possible comprend un dispositif piézoélec- trique monté mécaniquement à l'extrémité de la fibre 10 et excité électriquement afin qu'il vibre à sa fréquence de résonance et soumette ainsi les radiations émises par la fibre à une modulation. Cependant, le modulateur 32 peut aussi etre un dispositif électrooptique, par exemple tout dispositif transmettant des radiations (aux longueurs d'onde vculues) et modulant les radiations émises en fonction d'un signal électrique appliqué au dispositif. Le récepteur 30 est sensible aux radiations modulées provenant par l'intermédiaire du circuit 32 et forme un signal électrique correspondant qui est alors traité par un amplificateur 34. Celui-ci est accorde à la fréquence de modulation si bien cluse les variations des signaux dues à la dérive et au bruit sont rejetées. Le signal amplifié est alors comparé à un seuil prédéterminé dans un circuit 36 qui commande un circuit 38 d'alarme lorsque les radiations détectées dépassent un niveau prédéterminé correspondant à une température de seuil de la fibre 10. Dans le circuit de la figure 6, les radiations Emises par la fibre 10 parvien-lent directement au récepteur 30, c'est-àdire à l'état non modulé. Comme précédemment, le détecteur donne un signal électrique correspondant qui est transmises un amplifi- cateur continu 40. Celui-ci a une boucle de réaction négative, passant par un circuit 42 à réponse lente dont l'effetestanalogue à la variation du signal d'entrée de l'amplificateur dans un sens et d'une certaine quantité si bien que le signal de sortie de l'amplificateur reste constant et n'est pas affecté par les variations lentes du signal d'entrée. Ainsi, les variations dues à la dérive ou à des causes analogues sont éliminées. Cependant, lorsqu'un changement soudain des radiations émises par le récepteur 30 apparaît, par exemple à la suite d'un incendie, le circuit 42 à réponse lente ne peut pas répondre suffisamment pour qu'il compense la variation du signal de l'ampli- ficateur si bien que le signal parvient au circuit 96 de seuil et il est comparé à un niveau prédéterminé de seuil. Lorsque ce niveau est dépassé, le circuit 38 d'alarme est excité. La fibre optique 10 utilisée dans les arrangements des figures 5 et 6 peut être formée de toute matière. Ainsi, il peut s' agir de matières transmettant les radiations et ayant une température élevée de fusion telles que la silice ou un verre binaire de silice et d'oxyde de germanium, ou de l'oxyde de germanium qui a diffusé dans de la silice afin que l'indice de réfraction varie progressivement, ou d'alanine de magnésie ou d'oxyde de béryllium ou de mélanges de ces matières ou de cellesci avec de la silice. Ces matières permettent la détection des températures pouvant atteindre 1100 C Aux températures plus basses, mu verre borosilicate ou autre peut etre utilisé comme matière de la fibre 10. La fibre 10 peut être sous forme tubulaire ou pleine. Ainsi, elle peut comprendre plusieurs fibres analogues a des tiges ou plusieurs fibres analogues à des tubes ; chaque fibre peut par exemple avoir un diamètre de l'ordre de 125 microns. Ainsi, un arrangement réalisé peut comprendre sept fibres en forme i tube. Un autre exemple comprend quarante fibres en forme de tige. Pour des raisons de protection, la fibre 10 peut être entourée par une gaine tubulaire d'acier inoxydable dont le diamètre externe est par exemple de l'ordre de 3 mm. Au contraire ou à la place, chaque fibre peut avoir un revêtement métallique. Le récepteur 30 (figures 5 et 6) peut avoir toute configuration convenable. Ainsi, il peut comprendre un détecteur photoélectrique au séléniure de plomb. D'antres exemples de détecteurs sont à base de silicium et de sulfure de plomb. Des détecteurs pyroélectriques ou des thermopiles conviennent aussi. La figure 7 représente des courbes ss, B, C et D qui indiquent la variation avec la température des radiations émises à l'extrémité d'une fibre 10 de silice (utilisée dans les circuits des figures 5 et 6). La courbe A montre la variation des radiations émises avec la température, lorsque les radiations sont mesurées a toutes les longueurs d'onde. La courbe B indique la variation lorsque seules les radiations de longlue-E-s d'onde inférieures à 4 microns sont considérées. La courbe C correspond à la réception des seules radiations inférieures a 2,5 microns. Enfin la courbe D correspond aux radiations inférieures à 1 micron. A titre comparatif, les courbes X, E, F et G montrent la variation avec la température des pouvoirs détecteurs du sulfure de plomb (courbe E), du séléniure de plomb (courbe B) et d'un détecteur pyroélectrique ou thermopile (courbe G) par rapport au pourvoir détecteur dtun détecteur au silicium (courbe D), et elles permettent une mesure relative des réponses des détecteurs aux radiations émises à l'extrémité d'une fibre optique en fonction de la température de celle-ci. L'axe vertical est logarithmique. lie cas échéant, les radiations émises par ltextrémité de la fibre 10 (dans les modes de réalisation décrits) peuvent être transmises par une autre fibre dont les caractéristiques sont telles qu'elles ne sont pratiquement pas affectées par la température à laquelle la fibre 10 doit être sensible, vers un emplacement distant auquel le récepteur et le reste du circuit peuvent etre disposés et auquel l'environnement peut être moins dangereux. Divers facteurs ont un rôle sur la sélection de la matière du câble 10 à fibres optiques, en plus des paramètres indiqués. Ainsi, il est avantageux que l'effet thermique sur les propriétés de transmission optiques du cable 10 soit réversible afin que le capteur puisse être réutilisé, bien que cette caractéristique ne soit pas essentielle. Lorsque les propriétés sont réversibles, elles doivent Astre alors réversibles avec un phénomène minimal d'hystérésis. La matière du cale 10 doit être choisie compte tenu de la température de fonctionnement qui ne doit pas atteinre une valeur telle qu'elle affecte les propriétés optiques et mécaniques. La matière du câble 10 doit avantageusement pouvoir supporter des chocs thermiques importants, et la matière et toute gaine protectrice externé doivent avoir des coefficients analogues de dilatation thermique. REVENDICATIONS 1. Capteur de température, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur longitudinal 10 de radiations électromagnétiques dont les caractéristiques sont telles que les radiations émises sur sa longueur varient avec sa température ou la température d'une de ses parties, et un transducteur transformant les radiations en signaux électriques 16, 30 et destiné à recevoir lesradiations après leur transmission le long de l'émetteur 10, afin qu'il forme un signal électrique qui dépend des variations 2. Capteur selon larevendication 1, caractérisé en ce que émetteur comprend un arrangement 10 à fibre optique. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'arrangement 10 à fibre optique peut iransmettre dans la partie optique du spectre électromagnétique si bien qu'il transmet les radiations optiques créées dans cet arrangement 10 qui sont la conséquence ou dépendent de l'augmentation de température d'une partie au moins de 1' arrangement tO ou d'une partie immédiatement adjacente à cet arrangement. 4. Capteur selon 1a revendication 2, caractérisé en ce que l'arrangement 10 à fibre optique peut transmettre dans la partie optique du spectre électromagnétique, et le capteur comprend une source 12 de radiations, par exemple une diode photoémissive, destinée à transmettre des radiations optiques à I'arrangement 10 à. fibre optique, à l'une de ses extrémités. 5. Capteur selon l'une des revendications 9 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend un modulateur 32 des-radiatlons optiques à une fréquence prédéterminée avant détection par le transducteur 30, Si bien que le signal électrique est modulé de façon correspondante, et il comprend un circuit de filtrage accordé afin qu'il rejette tout signal électrique dont la fréquence diffère notablement de la fréquence prédéterminée. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un atténuateur 42 des variations lentes de la valeur du signal électrique, par rapport aux variations rapides de ce signal. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'arrangement 10 à fibre optique comprend une seule fibre optique ou un faisceau de fibres optiques, et la fibre ou les fibres sont tubulaires ou en forme de tige. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la matière de l'arrangement à fibre: optique est thermochrome. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caracterisé en ce que la matière de la fibre ou des fibres optiques est la silice. 10. Capteur selon lTune quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la matière de la fibre ou des fibres optiques est de la silice et de l'oxyde de germanium. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la matière de la fibre ou des fibres optiques est un verre borosilicate. 12. Capteur selon leune quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la matière de la fibre ou des fibres optiques est choisie parmi l'alumine, la magnésie, l'oxyde de béryllium, les mélanges de ces matières entre elles et leurs mélanges avec la silice.