Brevet FR2484639A1 — publié le 19811218

La présente invention concerne un dispositif de mesure de température à fibres optiques basé sur la photoluminescence d'une matière à l'état solide qui est soumise à la température à mesurer. La demande de brevet FR 80/21 328 décrit un dispositif du type indiqué cidessus dans lequel de la lumière est conduite par au moins une fibre optique vers une matière qui est en contact optique avec la fibre et qui a des propriétés de luminescence qui dépendent de la température et qui donne lieu à une luminescence. La lumière qui est ainsi émise est conduite par au moins une autre fibre optique, éventuellement de façon commune, totalement ou partiellement, avec la fibre précitée, vers un élément de mesure électronique. La matière consiste en une matièresemiconductrice présentant une luminescence qui dépend de la température. Ce principe de mesure de température conduit à un dispositif de mesure fiable, économique et robuste qui peut être avantageusement utilisé dans des environnements difficiles ou des environnements d'accès difficile, comme par exemple en présence de champs électriques intenses. L'invention consiste en un perfectionnement du principe mentionné cidessus, relatif au cas dans lequel on désire disposer de plusieurs points de mesure, tout en réduisant simultanément les coûts considérables qui sont associés à l'utilisation d'un élément de mesure électronique, avec son équipement électronique et optique, pour chaque point de mesure. Il s'est avéré difficile de trouver une solution à ce problème par l'utilisation de fibres optiques, mais l'invention présente une telle solution. L'invention est caractérisée en ce que ladite matière est placée dans plusieurs capteurs 9-15 situés à différents emplacements, chacun d'eux étant connecté à une diode électroluminescente 2, 3, 30-32 par au moins une fibre optique séparée 5, 6, et en ce que la lumière résultant de la luminescence et émise par chaque capteur est appliquée, par au moins une fibre optique séparée 17,-18, éventuellement en partie par l'intermédiaire de la fibre précitée et d'unemb=anchrmen2t de fibres7, 8, à un récepteur 16, commun à tous les capteurs et comportant une unité de mesure électronique, le signal lumineux d'excitation provenant de chaque diode électroluminescente étant multiplexé par répartition dans le temps. Il est ainsi possible d'appliquer plusieurs points de mesure à différents éléments de mesure et un seul récepteur commun équipé d'une unité de mesure électronique est nécessaire. Avec une unité de commande commune, il est possible de faire fonctionner les diverses diodes électroluminescentes en ordre successif par multiplexage par répartition dans le temps, et de mesurer simultanément, par l'intermédiaire de l'unité de commande, le ou les signaux provenant du capteur correspondant. Cette mesure est indépendante des autres capteurs du fait que ceux-ci ne sont pas actionnés au moment considéré. Diverses configurations permettent en outre d'éliminer les sources d'erreur résultant du vieillissement, des flexions des fibres, etc. La réception des différents signaux présents dans les différents conducteurs venant des capteurs est un problème qui a été résolu de la manière suivante: Le signal qui est transmis d'un capteur vers l'unité de mesure traverse un filtre qui bloque les longueurs d'onde émises par les diodes électroluminescentes, c'est-à- dire la lumière d'excitation. Des filtres sont placés entre les diodes électroluminescentes et la connexion relative au récepteur et ces filtres bloquent les longueurs d'onde de la lumière d'excitation qui coïncident avec les longueurs d'onde émises par les capteurs, c'est-à-dire la lumière de luminescence. Les signaux qui arrivent au récepteur commun traversent un diviseur de faisceau, faisant partie du récepteur, et éventuellement un collecteur de lumière et un filtre, arrêtant les réflexions parasites qui proviennent de l'émetteur; les signaux sont divisés en deux parties dans le diviseur de faisceau, une partie étant appliquée directement à un-premier photodétecteur tandis qu'une autre partie est appliquée à un second photodétecteur par un filtre qui arrête une partie du signal reçu; et après amplification, les signaux de sortie sont comparés, par exemple dans un générateur de quotient dont le signal de sortie constitue donc une mesure de la température au niveau du capteur respectif. La partie du signal qui est appliquéeau premier photodétecteur est bloquée par un filtre supplémentaire qui bloque une partie du signal autre que celle que bloque le filtre menant au second photodétecteuro La matière semiconductrice grâce à laquelle les capteurs présentent une luminescence qui dépend de la température peut être l'une des suivantes, comme dans la structure connue mentionnée précédemment: AlP, AlAs, GaP, GaAs, InP, InAs, In AlxP, In xGaxP, Ga Al P, In -xAl As, 1-X x 1-x x 1-x x 1-x x In xGaxAs, Ga1 AlxAs, InAs YPy, GaAs _yPy, x et y étant compris entre O et 1, ou ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, CdTe, CdSe ou CdS. GaP peut être dopé avec Zn et O ou avec Cd et 0, et ZnSe est dopé avec Cn ou Mn. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention, La figure 2 représente un autre mode de réalisation de linvention, et, La figure 3 représente une courbe relative aux signaux. On voit sur la figure 1 un certain nombre de capteurs 9-15 placés à divers emplacements de mesure, chaque capteur comportant ladite matière semiconductrice (- présentant une luminescence qui dépend de la température et étant placé à un emplacement de mesure différent, ces emplacements étant souvent des emplacements d'accès normalement difficile. L'unité d'attaque 1 actionne des diodes électroluminescentes 2, 3, etc, par multiplexage par répartition dans le temps, c'est-à-dire pendant différents intervalles de temps. Les diodes sont actionnées sous la commande d'une unité de commande commune 28, par exemple un ordinateur ou un microprocesseur. Des diodes électroluminescentes 2, 3, équipées de filtres 33, 34, partent des conducteurs à fibres optiques séparés (un pour chaque diode) et ces conducteurs vont aux capteurs respectifs 9-150 A la réception du signal lumineux, une photoluminescence se produit et il y a émission d'un signal d'une longueur d'onde différente de celle de la lumière d'excitation, la longueur d'onde du signal dépendant de la température au niveau du capteur considéré. La lumière émise par les capteurs est dirigée, séparément ou en partie par le même conducteur de lumière , 6, par l'intermédiaire d'un eninc1MMEril de fibres 7,x8, - vers un récepteur commun 16 qui est équipé d'une unité de mesure électronique. Chaque signal provenant du capteur respectif dispose d'au moins un conducteur de lumière séparé 17, 18, etc. Le signal qui est reçu par le récepteur et qui est multiplexé par répartition dans le temps, est appliqué- à une lentille ou un système de lentilles 19, et à un filtre qui bloque les longueurs d'onde de la lumière d'excitation0 Un diviseur de faisceau 21, consistant par exemple en un - miroir semi-réfléchissant ou un miroir dichroique, divise le signal reçu en une première partie qui est appliquée à une photodiode 23 par l'intermédiaire d'un filtre qui supprime certaines des longueurs d'onde du signal et, éventuellement, par l'intermédiaire d'autres éléments optiques, et en une seconde partie qui est appliquée à une autre photodiode 24, sans filtrage ou après avoir traversé un filtre qui arrête une partie du signal différente de celle qu'arrête le filtre 22 (voir ci-dessous). Les signaux de sortie des photodiodes 23, 24 sont amplifiés en 25 et 26 et ils sont appliqués à un générateur de quotient 27, ou un élément analogue, dont le signal de sortie constitue ainsi une mesure de la température au niveau du capteur correspondant 9-15. La partie du signal qui est appliquéeau détecteur 24 peut éventuellement être arrêtée dans un filtre qui arrête des longueurs d'onde du signal autres que celles qu'arrête le filtre 22. Le signal de mesure est appliqué à un dispositif de mesure, directement ou après traitement dans l'unité de commande 28, qui fait intervenir des fonctions de correction relatives auxnon linéarités dans les capteurs et/ou les filtres. La valeur mesurée que fournit l'unité de commande 28 peut être présentée sur chaque canal en même temps que la diode électroluminescente correspondante est actionnée0 Le signal de mesure peut être analogique ou numérique. La référence 29 désigne un régulateur d'alimentation pour les diodes émettrices. On voit ainsi clairement que les différents signaux présents dans les différents conducteurs de lumière 17, 18 peuvent tous être acheminés par le diviseur de faisceau 21 et analysésen synchronisme avec l'excitation des diodes électroluminescentes correspondantes 2, 3, et qu'il est possible d'indiquer les valeurs de température au niveau des différents capteurs 9-15 La figure 2 montre un autre mode de réalisation dans lequel la lumière d'excitation qui provient des diodes électroluminescentes 30, 31, 32, est appliquée aux capteurs 9, 10, 11 en multiplexage par répartition dans le temps, par l'intermédiaire de filtres 33-35 qui arrêtent les longueurs d'onde des signaux de luminescence. Ces capteurs émettent alors de la lumière avec des longueurs d'onde différentes qui dépendent de la température et, par l'intermédiaire de fibres séparées 36, 37, 38 et d'un filtre 39 qui arrête les longueurs d'onde de la lumière d'excitation, la lumière émise par les capteurs est appliquée à une fibre optique commune 40, de section supérieure, qui permet de transmettre la totalité des signaux lumineux qui arrivent L'excitation des diodes électroluminescentes s'effectue en multiplexage par répartition dans le temps, de la même manière que sur la figure 1. Après passage dans la fibre 40, le signal est divisé en deux branches 41, 42, indépendamment du capteur 9-15 particulier duquel le signal provient. La fibre-40 avec les branches 41 et 42 remplace le diviseur de faisceau 21 et les moyens associés de la figure 1i Le signal présent dans la branche 41 traverse un filtre 43 qui arrête une partie du signal provenant de la fibre 40 et il est appliqué à une photodiode 44, tandis que le signal présent dans la branche 42 est appliqué directement à une autre photodiode 45 (ou par l'intermédiaire d'un filtre qui arrête une autre partie du signal). Les signaux de sortie des photodiodes sont traités de la même manière que les signaux de photodiode de la figure 1. Sur la figure 3, la longueur d'onde > est portée sur l'axe x et le niveau T du signal est porté sur l'axe y. La lumière d'excitation est représentée en 46 (ligne continue) et la lumière de luminescence, émise par le capteur, est représentée en 47 (ligne discontinue). Les filtres 22 et 43 arrêtent une partie du signal de luminescence, par exemple celle qui se trouve à gauche du trait de séparation 48, et la partie du signal qui traverse le filtre dépend donc de la longueur d'onde du signal, qui dépend à son tour de la température. Un quotient de ce signal et du signal total est donc fonction de la température. Le filtre 43, le filtre en pointillés sur la figure 2 et les filtres correspondants de la figure 1 peuvent également être des filtres passebande, travaillant de chaque côté du trait 48 sur la figure 30 La raison pour laquelle on compare les deux signaux de cette manière consiste en ce que, comme il a été mentionné précédemment, on peut ainsi éliminer certaines sources d'erreur (par exemple la flexion des fibres, le vieillissement des composants utilisés, les signaux perturbateurs, etc). La courbe 49 (correspondant aux filtres 33-35) est la courbe de transmission relative au filtrage de la lumière d'excitation et la courbe 50 (correspondant aux filtres 20-39) est la courbe correspondante pour la lumière de luminescence. Les filtres 20 et 39 permettent d'arrêter la partie non désirée du signal correspondant à la courbe 46 qui n'a pas été arrêtée par les filtres 33-35. La lumière qui est émise, c'est-à-dire la lumière d'excitation, doit être filtrée afin de-ne pas entrer dans la même gamme de longueur d'onde que la lumière de luminescence qui provient de la matière des capteurs 9-15. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 2484639 -- 8. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de température à fibres optiques, basé sur la photoluminescence d'une matière à - l'état solide qui est soumise à la température à mesurer, caractérisé en ce que cette matière est disposée dans plusieurs capteurs (9-15) situés à divers emplacements, chaque capteur étant connecté à un émetteur optique, par exemple une diode électroluminescente (2, 3, 30-32) par au moins une fibre optique (5, 6); et la lumière de luminescence qui est émise par chaque capteur est appliquée, par l'intermédiaire d'au moins une fibre optique séparée (17, 18), et éventuellement en partie par la fibre précitée et par un embranchement de fibres (7,8), à un récepteur pour fibres (16), commun aux capteurs et équipé d'une unité de mesure électronique,-le signal lumineux d'excitation provenant de chaque diode électroluminescente étant multiplexé par répartition dans le temps. 2. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il - comporte une unité de commande commune (28) qui est conçue de façon à actionner un émetteur optique (2, 3) dans un ordre successif et à lire l'indication fournie par l'unité de mesure électronique, en même temps que l'émetteur respectif est actionné, cette lecture s'effectuant éventuellement au moyen d'éléments de présentation distincts pour chaque capteur. 3. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon l'une quelconque des renvendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la matière à l'état solide placée dans le capteur qui présente une luminescence dépendant de la température consiste en une matière semiconductrice, par exemple: AlP, AlAs, GaP, GaAs, InP, InAs, In1x Alx P, In1-x Gax P, Ga_1x Aix P, In1_x Alx As, In1_ Ga. As, Ga1 A As, IAs1y Py, GaAs_ Py, x et y étant ccmpris 1-X x 1-Y y 1- y entre O et 1, ou ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, CdTe, CdSe ou CdS. 4. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon-la revendication 3; caractérisé en ce que GaP est dopé avec Zn et O ou Cd et 0. 5. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon la revendication 3, caractérisé en ce que ZnSe est dopé avec Cu ou Mn. 6. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon l'une quelconque des renvendic.ations 1 à 5, caractérisé en ce que le signal provenant du capteur et appliqué à l'unité de mesure traverse un filtre (20) qui arrête les longueurs d'onde émises par les diodes électroluminescentes, c'est-à-dire la lumière d'excitation. 7. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des filtres (33-35) sont placés entre les diodes électroluminescentes et la connexion relative au récepteur et ces filtres arrêtent les longueurs d'onde de la lumière d'excitation qui coïncident avec les longueurs d'onde émises par les capteurs, c'est-à-dire la lumière de luminescence. 8. Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon l'une quelconque des renvendications 1 à 7, caractérisé en ce que les signaux qui arrivent au récepteur commun traversent un diviseur de faisceau (21) disposé dans le récepteur, et éventuellement un collecteur de lumière (19) et un filtre (20) qui arrête les réflexions parasites provenant de l'émetteur; en ce que le signal est divisé en deux parties dans le diviseur de faisceau et une partie est appliquée directement à un premier photodétecteur (24) tandis qu'une autre partie est appliquée par un filtre (22) à un second photodétecteur (23), ce filtre (22) arrêtant une partie du signal reçu; et en ce que les signaux de sortie, après amplification, sont comparés, par exemple dans un générateur de quotient (27) dont le signal de sortie est donc une mesure de la température au niveau du capteur respectif. 9, Dispositif de mesure de températion à fibres optiques selon la revendication 8, caractérisé en ce que la partie du signal qui est appliquée au premier détecteur (24) est arrêtée par un filtre supplémentaire qui arrête une partie du signal autre que celle qu'arrête le filtre (22) menant au second détecteur. o Dispositif de mesure de température à fibres optiques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les fibres provenant des capteurs sont connectées, éventuellement par un filtre (39) qui arrête la longueur d'onde des signaux d'excitation, à un diviseur de lumière commun (40) de plus forte section, qui transmet tous les signaux entrants, l'extrémité opposée de ce diviseur de lumière (40) se divisant er deux branches (41, 42) et une branche est dirigée vers un photodétecteur (45) sans filtre ou avec un filtre qui transmet une partie de la gamme de longueur d'onde du signal entrant, et une autre branche est dirigée vers un photodétecteur (44) par l'intermédiaire d'un filtre (43) qui transmet lune autre partie du signal entrant, les signaux de sortie des photodétecteurs étant amplifiés puis comparés, par exemple, dans un générateur de quotient (27).