Brevet FR2512552A1 — publié le 19830311

Détecteur d'impuretés à fibre optique La présente invention concerne un système pour détecter des impuretés telles que des gaz, l'humidité et des particules, etelle a trait, plus particulièrement, à un système de ce genre adapté pour une identification qualitative de la présence d'impuretés chimiques Ce système présente l'avantage de permettre de placer un détecteur dans l'environnement ambiant en cours d'étude, le détecteur étant disposé à distance en étant relié par un câble à fibres optiques. Il est bien connu, dans la technique desfibres optiques, que l'indice relatif de réfraction d'une matière formantl'âme et d'une matière formant le revêtement détermine la caractéris- tique de transmission de lumière le long de l'âme du câble à fibres optiques L'angle critique est défini pour l'interface entre les indices de réfraction relatifs à l'âme et au revêtement de telle sorte que pour des angles supérieurs à l'angle critique c, la lumière soit réfléchie en totalité intérieurement le long de l'âme Pour des angles supérieurs à l'angle critique, la lumière est perdue pour le revêtement en fonction de cet angle. A mesure que l'indice de réfraction de l'âme se rapproche de celui du revêtement, la répartition de l'énergie dans le guide d'onde varie avec pour résultat que de l'énergie se perd du noyau vers le revêtement. Il existe de nombreuses raisons pour que l'on détecte à distance la présence des impuretés, ces raisons allant des difficultés d'accès pour une vérification jusqu'à la présence de produits chimiques dangereux Il est souhaitable que le détecteur soit aussi discret que possible, c'est-àdire non réactif, non sujet aux interférences électromagnétiques, etc. On peut utiliser des systèmes de détection d'impuretés pour déterminer la nécessité d'une maintenance périodique, par exemple dans le cas de la formation d'impuretés, ainsi que pour détecter des conditions de panne, comme par exemple une défail- lance de canalisation de fluide L'environnement ambiant considéré peut être ostile par suite de potentiels électriques élevés ou de constituantsexplosif. 12552 Un objet de la présente invention est de réaliser un nouveau détecteur d'impuretés à fibre optique pour déceler la présence d'impuretés dans un environnement. La présente invention réside dans un détecteur d'impuretés à fibre optique destiné àdioeler la présence d'une impureté prédéterminée dans un environnement ambiant, ce détecteur comprenant un long guide d'onde optique disposé à l'intérieur de l'environnement ambiant, ledit guide d'onde comprenant une ame présentant un indice de réfraction prédéterminé en l'absence de son revêtement; des moyens de transmission de lumière d'entrée et de sortie à fibre optique couplés optiquement à chaque extrémité du guide d'onde optique; une source de lumière couplée au guide d'onde optique par l'intermédiaire du moyen de transmission de lumière d'entrée à fibre optique; un détecteur de lumière couplé au guide d'onde optique par l'inter- médiaire du moyen de transmission de lumière de sortie à fibre optique, ledit détecteur de lumière engendrant un signal repré- sentant la lumière transmise à travers le guide d'onde et reçu par le détecteur de lumière; et un moyen pour comparer le signal de sortie normal du détecteur de lumière engendré par la lumière transmise à travers le-guide d'onde disposé dans un environnement ambiant exempt d'impuretés avec le signal de sortie du détecteur de lumière engendré lorsqu'une impureté est présente dans l'environnement ambiant et se trouve couplée optiquement au pourtour du guide d'onde, cette impureté en- traînant une altération de l'indice de réfraction du milieu autour du guide d'onde et provoquant dans la transmission de la lumière à travers le guide d'onde une variation se traduisant par un signal de sortie, du détecteur de lumière qui indique la présence de l'impureté dans l'environnement ambiant. La figure unique du dessin annexé est une représentation schématique d'un exemple de mode de réalisation de la présente invention comportant un guide d'onde disposé à l'intérieur d'une chambre d'échantillonnage. On peut mieux comprendre la présente invention en se référant à cette figure o le système 10 de détection d'impu- retés comprend une chambre d'échantillonnage 12 dans laquelle l'environnement ambiant sous étude peut être admis à travers une ouverture ou orifice d'échantillonnage 14 Un long guide d'onde optique 16 est disposé à l'intérieur de la chambre d'échantillonnage 12 et comprend l'âme d'un câble classique à fibre optique dont le revêtement a été enlevé Dans ce mode de réalisation, le guide d'onde 16 estun élément en forme générale de C, mais la configuration générale du guide d'onde n'est pas critique et le guide d'onde pourrait être un élément rectiligne, une bobine ou avoir toute autre configuration qui assure à l'intérieur de la chambre d'échantillonnage la présence d'une surface suffisante de l'âme pour permettre une mesure de la variation se produisant dans la transmission de la lumière. L'élément 16 formant guide d'onde, c'est-à-dire le milieu constituant l'âme, présente un indice de réfraction de N 1. L'environnement ambiantqui se trouve dans la chambre d'échan- tillonnage 12 et qui peut être un gaz couplé au guide d'onde, présente un indice de réfraction de N 2. Un moyen 18 disposé à distance et comprenant unesource lumineuse et un détecteur de lumière est connecté à un câble 20 à fibre optique qui relie la partie du moyen 18 formant la source lumineuse à une des extrémités 21 du guide d'onde 16 à travers la paroi de la chambre d'échantillonnage Un second câble 22 à fibre optique relie l'autre extrémité 23 du guide d'onde 16 à la partie du moyen 18 qui forme le détecteur de lumière La partie du moyen 18 qui forme le détecteur de lumière est également reliée à un moyen 24 de commande et de traitement d'information, grâce à quoi un signal de sortie de détecteur de lumière est envoyé au moyen 24 pour être comparé avec un signal normalisé ou signal de référence obtenu à partir d'un environnement ambiant connu présent dans la chambre d'échantillonnage. Pendant le fonctionnement, on dispose la chambre d'échan- tillonnage 12 dans un environnement distant et 6 u hostile, par exemple à l'intérieur d'une turbine à vapeur ou bien d'un carter de générateur électrique ou encore d'un système d'alimentation à vapeur d'eau de centrale nucléaire L'orifice d'échantillonnage 14 permet une variation périodique de l'atmosphère à l'intérieur de la chambre d'échantillonnage, par exemple par diffusion, de telle sorte que l'atmosphère de la chambre d'échantillonnage représente l'environnement ambiant à un moment donné. La lumière provenant de la partie du moyen 18 qui forme la source de lumière est transmise par l'intermédiaire du câble à fibre optique au guide d'onde 16 L'atmosphère à l'in- térieur de la chambre d'échantillonnage 12 est en contact direct avec le guide d'onde ou âme de câble à fibre optique, c'est- à-dire est couplée optiquement avec ce guide d'onde, par divers mécanismes qui dépendent de l'impureté Dans le cas d'une impureté vaporisée, celle-ci pourrait être déposée sur l'âme par évaporation D'autres mécanismes de couplage comprennent lattraction par charge statique et la chute de particules dans le cas de particules simples L'impureté de l'environnement ambiant assure un indice de réfraction N 2 de revêtement qui entraîne une perte de lumière à l'interface âme-revêtement. Cette lumière transmise sort du guide d'onde 16 et est transférée par le câble 22 jusqu'à la partie du moyen 18 formant le détec- teur de lumière La partie du moyen 18 qui forme un détecteur de lumière classique peut être un tube photomultiplicateur qui engendre un signal de sortie en fonction de la lumière atteignant le détecteur Ce signal de sortie du détecteur est envoyé au moyen 24 de commande et de traitement d'informationspour être comparé avec un signal de référence ou signal de point de consigne qui est fonction d'un environnement ambiant connu représentant un état exempt d'impuretés On peut alors utiliser le moyen 24 pour engendrer un signal de commande qui est utilisé pour arrêter ou modifier le fonctionnement du matériel ou du système à l'intérieur duquel est disposée la chambre d'échantil- lonnage Le moyen 24 peut auss être un instrument de mesure qui informe un opérateur de la présence de l'impureté et de la nécessité d'une action de l'opérateur. La partie du moyen 18 formant la source lumineuse peut être une source lumineuse classique à forte intensité dont la lumière est diri Qée sur le câble 20 et introduite dans ce câble. On peut aussi utiliser une source de lumière laser, cette source monochromatique simplifiant les exigences relatives à la détection 12552 de la lumière et pouvant être facilement couplée au câble 20. A titre d'exemple, le détecteur ou guide d'onde 16 est une âme de câble d'un diamètre de 20 micromêtres en silice fondu ayant un indice de réfraction de 1,46 Le revêtement normal du câble en caoutchouc de silicone est enlevé de cette âme qui forme la partie de détection ou guide d'onde 16 tandis que le cêble se prolonge sous la forme des brins 20 et 22 de cêble entre la partie 16 de guide d'onde et le moyen 18 formant source lumineuse du détecteur Quand un fluide contaminant pouvant être présent sous la forme d'un brouillard ou d'une vapeur se trouve dans la chambre d'éc Inantillonnage 12, des gouttelettes de ce fluide se forment sur la surface du guide d'onde et l'intensité de la lumière transmise à travers le guide d'onde diminue Le signal de sortie du détecteur de lumière est envoyé au moyen 24 de traitement de signaux et est comparé avec un signal de référence ou de point de consigne qui cor- respond à l'absence de fluide contaminant dans la chambre 12. Le signal de sortie du moyen de traitement 24 peut alors être utilisé pour remplir une fonction de commande de matériel, par exemple la commande d'une valve ou une commande mécanique. REVENDICATIONS 1 Détecteur d'impuretés à fibre optique pour détecter la présence d'une impureté prédéterminée dans un environnement ambiant, ce détecteur comprenant un long guide d'onde optique ( 16) disposé à l'intérieur d'un environnement ambiant et étant caractérisé par le fait que ledit guide d'onde comprend une âme présentant un indice de réfraction prédéterminé, son revêtement ayant été enlevé; des moyens de transmission de lumière d'entrée et de sortie ( 20,22) à fibre optique couplés de façon optique à chaque extrémité du guide d'onde optique; une source lumineuse couplée au guide d'onde optique par l'inter- médiaire du moyen de transmission de lumière d'entrée à fibre optique; un détecteur de lumière couplé au guide d'onde optique par l'intermédiaire du moyen de transmission de lumière d'entrée à fibre optique, ledit détecteur de lumière engendrant un signal représentant la lumière transmise à travers le guide d'onde et reçuepar le détecteur de lumière; et un moyen ( 24) pour comparer le signal normal de sortie de détecteur de lumière engendré par la lumière transmise à travers le guide d'onde disposé dans un environnement ambiant exempt d'impuretés avec le signal de sortie de détecteur de lumière engendré lorsqu'une impureté est présente dans l'environnement ambiant et est couplée optiquement autour du guide d'onde, ladite impureté entraînant une altération de l'indice de réfraction du milieu autour du guide d'onde et provoquant dans la transmission de la lumière à travers le guide d'onde une variation se traduisant par un signal de sortie de détecteur de lumière qui indique la présence de l'impureté dans l'environnement ambiant. 2 Détecteur d'impuretés à fibre optique suivant s revendication 1, caractérisé par le fait que le long guide d'onde optique est disposé à l'intérieur d'une chambre d'échan- tillonnage d'impuretés.