Brevet FR2536535A1 — publié le 19840525

-2536535 TRE Rfl OMETPE A FIBRE OPTIQUE L'invention-se rapporte à un thermomètre à fibre optique. On connaît des thermomètres à fibre optique Ils sont basés principalement sur l'utilisation d'un senseur appli- qué à une fibre optique et ayant un comportement qui varie de façon univoque lorsque la température varie. Une comparaison entre l'intensité lumineuse à l'entrée du senseur et l'intensité correspondante à sa sortie permet de déterminer correctement la température du corps sur le- quel le senseur est appliqué. Les senseurs à fibre optique conviennent particulière- ment aux mesures à distance dans des environnements hostiles et difficilement accessibleset présentent sur les thermo- couples normaux l'avantage d'être construits dans un matériau diélectrique, étant ainsi insensibles aux champs électromagné- tiques. Un thermomètre à fibre optique connu (US-PS 4 176 552) comprend deux fibres optiques non revêtues,à savoir une fibre d'entrée et une fibre de sortie, placées dans un capillaire partiellement rempli d'un liquide Comme l'indice de réfrac- tion du liquide est plus grand que l'indice de réfraction de la fibre, la lumière qui vient d'une source et atteint l'ex- trémité de la fibre correspondante, quitte la terminaison et se couple avec l'autre fibre Comme le liquide utilisé a un coefficient de dilatation qui dépend de la température, le volume et, par conséquent le niveau du licruidevarie avec la température pour produire un couplage plus ou moins grand entre la fibre d'entrée et la fibre de sortie Afin d'augmen- ter la sensibilité de l'instrument, on a également proposé d'utiliser plusieurs fibres optiques d'entrée et plusieurs fibres optiques de sortie, de façon à ce que la réduction d'espace pour le liquide à l'intérieur du capillaire pro- voque de plus grandes variations dans le niveau, et ainsi dans le couplage entre les fibres (pour des variations de volume égales) 2- Un inconvénient de ce thermomètre connu est que, son fonctionnement étant basé sur des variations de niveau, un positionnement précis (vertical) de l'extrémité de la sonde est nécessaire. Un autre avantage de ce thermomètre connu est que le couplage limité entre les fibres, qui n'intervient que pour la lumière réfractée, conduit à une sensibilité limitée, et que pour l'augmenter, il est nécessaire d'utiliser plu sieurs fibres, ce qui augmente les dimensions de l'extrémi- té de la sonde Un autre inconvénient encore est que toute courbure de la fibre conduit à des altérations, qui rédui- sent encore la sensibilité de l'instrument, en introduisant des erreurs provenant d'e -a façon dont il est employé. L'objet de la présente invention et de fournir un thermomètre à fibre optique qui ne présente pas les incon- vénients mentionnés ci-dessus pour les instruments connus et qui, en particulier a un domaine de mesure plus large, a une haute sensibilité mais avec une seule fibre, est plus facilement miniaturisable, est pratiquement indifférent à la position du senseur et en général à la façon dont il est employé est fiable en opération, même à faible puissance, est d'un faible coût. Tous ces objectifs sont atteints par le thermomètre à fibre optique selon l'invention, qui comprend une source lumineuse, une fibre optique couplée à la source et cons- tituée d'un coeur recouvert d'une gaine et un senseur de température, couplé à la fibre Le thermomètre est carac- térisé en ce que le senseur de température est constitué d'une portion de fibre optique dans laquelle la gaine est remplacée par une couverture ayant un indice de réfraction (n 1), 3- non inférieur à celui de la gaine (n M) dans toute la gam- me de mesure de l'instrument et variable en fonction de la température, l'extrémité de la fibre distante de la source lumineuse étant munie d'une surface réfléchissante. L'invention est illustrée ci-après en référence aux des- sins annexés, donnés à titre d'exemple, dans lesquels: la figure 1 la figure 2 la figure 3 est une vue en diagramme d'un thermomètre à fibre optique selon l'invention, est une coupe longitudinale agrandie à travers le senseur de température appliqué à l'extré- mité de la fibre optique, montre la courbe de réponse du senseur en fonction de la température lorsque la cou- verture du coeur de la fibre optique au senseur est sous forme de glycérine, la figure 4 la figure 5 montre les courbes de réponse pour diffé- rentes substances qui peuvent former la couverture du coeur au senseur, montre une variante du senseur de température dans la même vue que lafigure 2, la figure 6 montre une autre variante encore, la figure 7 montre une forme d'exécution différente du thermomètre à fibre optique, dans une vue correspondante à la figure 1. Comme on peut le voir sur les figures, le thermomètre selon l'invention comprend une source lumineuse 1, par ex- emple un LED, modulé par un modulateur 2 Un diviseur de rayon 3 est disposé face à la source 1 Sur le prolongement du rayon lumineux 4 émis par le LED 1, au-delà du diviseur - de rayon 3, est disposéeune fibre optique 5, à l'extrémité de laquelle est appliqué un senseur de température indiqué -4- généralement par 6 La fibre est de préférence du type à saut d'indice, par exemple avec un coeur de silice 7 d'un diamètre de 200 à 600 pm, et une gaine plastique 8 Le sen- seur 6 est de préférence formé d'un capillaire 9 en verre ou en téflon d'un diamètre de 1 à 2 mm, dans lequel est in- sérée l'extrémité de la fibre 5 après retrait de la gaine 8, et dans lequel est introduit un matériau 10, de préfé- rence un liquide (par exemple de la glycérine) ayant un indice de réfraction N 1 plus grand que l'indice de réfrac- tion n M de la gaine 8. Une surface réfléchissante 11 est disposée à l'extré- mité de sortie du coeur 7 de la fibre 5. Un détecteur de référence 12, suivi d'un amplificateur 13 et d'un filtre 14 est disposé sur le- trajet du rayon dévié à partir du diviseur de rayon 3. Au-delà du diviseur de rayon 3-dans la direction oppo- sée au détecteur 12 se trouve un autre détecteur 15 suivi d'un amplificateur 16 et d'un filtre 17 Les sorties des deux filtres 14 et 17 passent dans un diviseur 18 et ensuite dans une unité de traitement et d'affichage 19. Le thermomètre selon l'invention opère de la manière suivante: le rayon lumineux 4 émis par la source modulée 1 est focalisée dans la fibre optique 5 et une partie en est déviée par le diviseur de rayon 3 vers le détecteur de référence 12 Le signal électrique engendré par le détec- teur 12 est amplifié en 13, filtré en 14 et va alimenter le diviseur 18 Le rayon qui est envoyé par la fibre 5 subit dans le senseur 6 une atténuation qui est fonction de l'indice de réfraction N 1 du liquide 10. En particulier, l'énergie lumineuse transmise par la fibre 5 atteint le senseur 6 et là, puisque l'indice de réfraction N 1 du liquide 10 est plus grand que - l'indice de réfraction N de la gaine 8 et que l'angle d'acceptance de la fibre au liquide 10 est en conséquence plus petit, une partie de l'énergie lumineuse est réfrac- tée à l'extérieur à l'extérieur du coeur 7, ce qui corres- pond à une atténuation de l'énergie dans le passage-à travers cette portion du coeur 7 entourée par le liquide En atteignant la surface réfléchissante 11, le rayon lumineux atténué est réfléchi et traverse à nouveau la portion du coeur 7 entourée par le liquide 10, o il subit une nouvelle atténuation Comme l'indice de réfrac- tion N 1 du liquide 10 varie avec la température, l'angle d'acceptance de la fibre 5 et donc l'atténuation de l'éner- gie lumineuse varie également avec la température Le rayon réfléchi, atténué par rapport aux rayons émis par le LED 1, repasse dans la fibre 5 et, rencontrant à nou- veau le diviseur de rayon 3 D est dévié en direction du détecteur 15 Le signal électrique engendré par ce der- nier est amplifié en 16, filtré en 17 et va alimenter le diviseur 18 Dans celui-ci, le rapport du signal du ca- nal de mesure (détecteur 12 amplificateur 13 filtre 14) est pris de façon à annuler les fluctuations de la source 1, et le signal résultant est traité et affiché en 19. La figure 3 montre la courbe de réponse du senseur 6 en fonction de la température quand le liquide 10 est de la glycérine pure, qui a un indice de réfraction N 1 qui décroît lorsque la température augmente. L'abscisse montre la température en O C, et l'ordonné montre le voltage mesuré à la sortie de l'amplificateur 16 en cascade avec le détecteur 15 Ce voltage est propor- tionnel à l'intensité lumineuse reçue par le détecteur 15. Comme on peut le voir, la courbe décroît jusau'à une température d'environ 520 C, à laquelle l'indice de réfrac- tion N 1 du liquide 10 coincide avec l'indice de réfraction n du coeur Pour des températures comprises entre 520 C n et approximativement 700 C, la courbe grimpe avec la tempé- rature Il est normalement préférable d'utiliser un instru- ment à l'intérieur de la seconde gamme de température, dans laquelle n,, exemple quatre courbes représentant la réponse pour dif- férents liquides La courbe a se rapporte à de la glycé- rine diluée, la courbe b à de la glycérine pure et cor- respond à la courbe b de la figure 3, et les courbes c et d se rapportent à deux types différents d'huile minérale. De cette façon il est possible de couvrir une très grande gamme de mesure en remplaçant simplement la sonde. Dans certains cas, il est également possible d'uti- liser l'instument dans une gamme de température o la courbe décroît lorsque la température augmente (nm d'une gamme de mesures plus large. Dans la variante illustrée à la figure 5, un étran- glement dans le coeur 7 permet une réponse modifiée du senseur 6, élargissant ainsi la gamme de température qui peut être couverte A cet égard, l'étranglement du coeur 7 de la fibre 5 correspond à deux cônes qui sont rencon- trés deux fois par le rayon lumineux (sur le trajet de sortie avant de rencontrer la surface réfléchissante 11, et sur le trajet de retour) A chaque cône correspond une réduction de l'angle d'acceptance de la fibre 5, con- duisant à une plus grande atténuation En référence aux diagrammes de la figure 3, la présence de l'étranglement modifie la courbe de réponse de la façon montrée par la ligne en traits interrompus, ayant comme résultat évident une gamme de mesure plus large. 253-6535 -7- La figure 6 montre une extrémité de sonde dans laquelle le coeur 7 de la fibre 5 comprend un seul cône, et dans ce cas la réduction dans le diamètre de la fibre peut être utilisé pour miniaturiser le senseur 6. Le diagramme de la figure 7 montre un thermomètre à fibre optique qui, en comparaison avec le thermomètre illus- tré en diagramme dans la figure 1, est insensible aux atté- nuations découlant d'un éventuel plissement dans la fibre. Dans cette forme d'exécution, le thermomètre comprend deux rayons lumineux identiques 4, 4 ' émis par la source modulée 1, et après passage à travers deux diviseurs de rayon 3, 3 ', ces deux rayons sont focalisés dans deux fibres optiques 5, 5 ' qui sont rigides l'une par rapport à l'autre. La fibre 5 est analogue à la fibre 5 du thermomètre de la figure 1, tandis que la fibre 5 ' ne comprend pas de senseur de température, bien que possédant la surface réfléchissante à son extrémité De cette façon, les canaux de mesure et de référence sont séparés, mais comme les fibres sont ri- gides l'une par rapport à l'autre, un plissement quelconque influence les deux de la même façon et annule ainsi l'effet de ce type d'erreur par leur rapport. Ce thermomètre selon l'invention peut être utilisé dans de nombreuses applications, telles que la surveillan- ce des appareils électriques à haut voltage (lignes,trans- formateurs,etc) ou d'appareils électroniques (fours à micro- ondes etc) Il convient également pour des applications médicales ( hyperthermie), dans lesquels, entre autres, des tailles réduites sont requises Dans ce dernier cas en particulier, l'utilisation d'une construction avec sonde miniaturisée permet de faire des mesures de température localisées. REVENDICATIONS 1 Thermomètre à fibre optique comprenant une source lumineuse ( 1), une fibre optique ( 5) couplée à la source et constituée d'un coeur ( 7) recouvert d'une gaine ( 8) et un senseur de température ( 6), couplé avec la fibre ( 5), caractérisé en ce que le senseur de température ( 6) et constitué d'une portion de fibre optique ( 5) dans laquelle la gaine ( 8) est remplacée par une couverture ( 10) ayant un indice de réfraction (n 1) non inférieur à celui de la gaine (nm) dans toute la gamme de mesure de l'instrument et variable en fonction de la tempéra- ture, l'extrémité de la fibre distante de la source lu- minueuse ( 1) étant munie d'une surface réfléchissante ( 11). 2 Thermomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction (n 1) du milieu formant une couverture ( 10) est compris entre l'indice de ré- fraction (nm) de la gaine ( 8) et l'indice de réfraction m (nn) du coeur ( 7). n 3 Thermomètre selon les revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que le milieu formant une couverture ( 10) est un liquide. 4 Thermomètre selon les revendications 1 et 3, carac- térisé en ce que le milieu formant la couverture ( 10) est de la glycérine. Thermomètre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le senseur ( 6) est placé à l'extré- mité de la fibre ( 5) distante de la source lumineuse ( 1). 6 Thermomètre selon les revendications 1 et 5, carac- l -9- térisé en ce que le coeur ( 7) de la fibre optique ( 5) comprend au moins un cône dans une position correspon- dante à celle du senseur ( 6). 7 Thermomètre selon les revendications 1 et 5, carac- térisé en ce qu'il comprend deux fibres ( 5,5 ') rigides l'une par rapport à l'autre, l'une d'entre elles étant munie à son extrémité d'un senseur ( 6) et l'autre n'ayant pas de senseur.