Brevet FR2616905A1 — publié le 19881223

La présente invention se rapporte à un capteur linéaire de température du type à franchissement de seu i I pour toute structure I i néa i re. Plus précisément, le capteur selon l'invention est constitué par une fibre optique pour la surveillance thermique de toute structure linéaire ou de tout réseau véhiculant de l'énergie. De nombreux composants linéaires véhiculant de l'énergie ou soumis à un échauffement nécessitent une surveillance constante de sécurité en raison de la possible élévation de température et la délivrance d'un signal de détection lors du dépassement d'une température jugée critique, signe de surchauffe. Dans le cas de composants longs et souterrains ou difficilement accessibles, il s'avère intéressant de pouvoir localiser précisément la zone de surchauffe pour faciliter les opérations d'intervention. C'est le cas des câbles de transport d'énergie électrique en zone urbaine qui, pour des raisons d'ordre pratique et esthétique, sont enterrés. Or, pour des impératifs de rentabilité, on souhaite véhiculer dans un même câble les énergies les plus importantes possibles et donc se placer à un régime permanent élevé compte-tenu des échanges de dissipation thermique du câble. Au-delà d'une certaine densité de courant, le câble commence à chauffer jusqu a une limite fonction des capacités de dissipation thermique variables selon la nature du milieu environnant, mais aussi des conditions climatiques et météorologiques. Ainsi, dans la pratique, les câbles de distribution sont souvent en risque de régime de surchauffe, notamment dans les périodes de pointe et en été. L'intérêt des services d'exploitation de la distribution de l'énergie en milieu urbain est de pouvoir connaître précisément et rapidement l'instant de surchauffe et son endroit en vue de diminuer la charge du circuit ou d'intervenir rapidement. Différents dispositifs ont été proposés pour réaliser une mesure discontinue ou continue le long des câbles en vue de la surveillance. II peut s'agir, par exemple, de capteurs fixés sur la paroi extérieure du câble. Mais, outre la discontinuité de la mesure, cette solution suppose la connaissance d'un modèle mathématique du transfert de chaleur câble/environnement et un dispositif technologique, raccordement de nombreux capteurs, très contraignant. Plus récemment, diverses études se sont basées sur la rétrodiffusion d'une impulsion lumineuse circulant dans une fibre optique noyée dans le câble. Cette solution devrait permettre une mesure de température continue tout au long du câble et donc de mettre en évidence les zones de surchauffe et leur loca i sat i on. La méthode se heurte néanmoins à des difficultés de sensibilité, de rayon d'action - de longueur du câble surveillée - et surtout à l'importance des moyens à mettre en oeuvre. Cette technique nécessite, pour donner des résultats significatifs, un appareillage coûteux d' in- jection et d'analyse. Par ailleurs, la zone de diffusion s' avère imprécise pour les grandes longueurs, ce qui limite l'ef- ficacité du procédé à des portées plus faibles, souvent peu compatibles avec celles des tronçons de distribution urbaine d'énergie électrique. La présente invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en proposant un capteur I inéaire utilisé en détecteur à seuil permettant de mettre en évidence en un point au moins de la liaison une zone de surchauffe et de la localiser. A cet effet, le capteur selon l'invention se caractérise en ce qu'il est constitué d'une fibre optique protégée, intégrée dans la gaine protectrice du câble, fibre en matériau tel que l'indice du coeur peut égaler celui de la gaine à une température critique prédéterminée, fibre homogène ou en présentant à intervalles des zones sensibles. Concernant les applications industrielles qui s' avèrent multiples telles que détection de surchauffe dans les câbles de transport et de distribution de l'énergie électrique, les réseaux de distribution fluidique, les transformateurs électriques et tous circuits industriels, on mentionne les avantages suivants réalisation simple peu d'appareillage court peu important des moyens à mettre en oeuvre exploitation facile. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages sont consignés dans la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un- mode d'exécution en référence aux dessins accompagnants dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en coupe longitu dinale d'un exemple de réalisation de base le long d'un câble électrique avec détection par transmission;; . la figure 2 est une vue schématique en coupe longitu dinale de détail concernant le dispositif d'injection dans la fibre et de détection de la lumière dans le cas d'une détection par réflexion . la figure 3 est une vue schématique en coupe longitu dinale illustrant la détection-localisation la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un câble type avec localisation de la fibre optique la figure 5 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique classique . la figure 6 est une vue en coupe transversale de la fibre avec contrainte mécanique la figure 7 est une vue schématique en perspective d'une fibre optique dite ondée la figure 8 est une vue schématique en perspective d'un tronçon avec enveloppe de contrainte mécanique les figures 9 et 10 sont les formes d'onde des signaux émis et reçus en exploitation de rétrodiffusion la figure 11 est une représentation de variation typi que d'indices de gaine n et de coeur n e en fonction g de la température dans le cas de matériaux chaisis. La présente invention procède de l'idée générale inventive suivante qui consiste à établir dans une fibre optique un ou plusieurs seuils de détection optique par la création et l'exploitation en détection lumineuse par une ou plusieurs longueurs d'onde d'une zone de non transmission ou d'atténuation forte ou totale de la lumière à partir d'une valeur de température critique en vue de détecter l'élévation de température. Cette zone d'opacité se produit lorsque l'indice du coeur égale celui de la gaine. Selon l'invention, on met en évidence une zone de surchauffe par une méthode de transmission optique et on la localise par une mesure de rétrodiffusion. On exploite la modification d'indice dans une fibre optique provoquée par la variation de température. Celle-ci peut résulter d'une influence directe de la température ambiante sur la fibre, c' est-à-dire sur l'indice des matériaux ou résulter de l'augmentation de pression qui conduit au même résultat. Pour ce faire, on utilise une fibre optique constituée de matériaux de gaine et de coeur choisis pour présenter des indices optiques voisins dont les variations avec la température sont telles que le point d'atténuation c' est à dire l'égalité se produise dès le début de la zone des températures critiques située pour les câbles électriques aux environ de 80 - 100 C. Comme choix de matériaux ou de matières on peut citer les exemples suivants gaine en verre coeur en silice qui conviennent dans la gamme de températures envisagées. Dans le cas d'une variation par la pression, on choisit des matériaux plus sensibles à la pression qu'à la température, tels que par exemple ceux du type silicones pour la gaine avec coeur en silice. La température de seuil étant déterminée par le choix des matériaux, il est possible de la faire varier en agissant sur la longueur d'onde de la lumière utilisée. En utilisant plusieurs longueurs d'onde, on peut disposer de plusieurs seuils simultanément pour définir des classifications d'alerte et utiliser en variation continue de la longueur d'onde la fibre optique en mesure continue de la température de seuil. La gamme des fibres utilisées est notamment étendue . II s'agit en particulier des fibres réalisées dans les matériaux à forte variation d'indice avec la température ou la pression. Dans ces catégories on peut envisager d'utiliser des fibres spéciales qui seraient constituées par la succession à intervalles de zones sensibles traitées ou enveloppées. On examinera tout d'abord le cas d'une fibre optique homogène. Une fibre optique 1 à coeur 2 d'indice n e de et gaine 3 d'indice n g est incorporée par exemple en position centrale dans un câble 4 de distribution électrique, par exemple souterraine ou en contact thermique étroit avec ledit câble ou autre structure linéaire. Le câble 4 présente une longueur totale surveillée " L ". Pour des raisons de suffisance de description on adoptera comme exemple un câble électrique à trois conducteurs 5, 6 et 7 isolés entre eux par des gaines individuelles. Le câble est lui-même protégé par une enveloppe isolante extérieure S mono ou multicouches. Classiquement, la fibre optique 1 revêtue de sa couche de protection est placée dans un tube de protection 9 avec interposition d'un gel de remplissage 10, cet ensemble étant placé à l'intérieur du câble 4. Le capteur selon l'invention peut être exploité selon les deux modes d'exploitation suivants - détection par transmission selon schéma de la figure 1 qui offre la possibilité d'une exploitation sur une plus grande distance - la détection par réflexion, selon le schéma de la fi gure 2 qui permet de placer les dispositifs d'émission et de détection du même côté. - la détection-localisation par rétrodiffusion selon le schéma de la figure 3. On décrira d'abord ci-après la détection par transmission. Selon ce mode de détection, on prévoit à l'une des extrémités 11 de la fibre une ou plusieurs diodes laser 12 ou électroluminescentes 13 avec un ou des filtre(s) sélectif(s) optique(s) 14 correspondants. La détection par transmission présente un avantage important de grande portée. Des distances exploitables de l'ordre d'un dizaine de kilomètres s' avè- rent parfaitement envisageables dans la pratique. L'extrémité opposée 15 d-e la fibre se trouve couplée à un détecteur lumineux 16, par exemple une photodiode 17 recevant le faisceau lumineux transmis. Une zone de surchauffe 18 engendrera une zone d'opacité 19 qui arrêtera le flux lumineux transmis. Cette disparition constitue le signal de détection. On préfèrera pour ce mode d'explçitation le fonctionnement en régime i mpu I s i onne I, car i I augmente la portée. Le deuxième mode de détection, à savoir par réflexion, met en oeuvre à l'extrémité 11 un émetteur identique 12 ou 13 à celui indiqué ci-dessus. Le ra > -onnement monochromatique émis pénètre dans la fibre optique par la section terminale de l'extrémité 11 à l'aide d'un coupleur optique 20 dit en "Y", dont une branche joue le rôle d'injecteur 21 et l'autre branche d'extracteur 22 de faisceau relié à un dispositif de détection 23. Bien entendu, l'extrémité opposée 15 est obturée par un miroir 24 destiné à renvoyer le rayonnement continu ou les impulsions lumineuses. En fonctionnement, dans ce mode également, la diode laser émet en continu ou en régime pulsé éventuellement contrôlé par le dispositif de détection 23. Le dernier mode d'exploitation par détection-localisation utilise les mêmes moyens généraux que ci-dessus. A l'extrémité de la fibre optique est relié sur une des branches du coupleur optique 20 en "Y" un émetteur de lumière monochromatique impulsionnel 25 dont la fréquence de récurrence est choisie en fonction de la longueur de la fibre de manière à éviter l'interférence d'une nouvelle impulsion avec le signal de rétrodiffusion engendré par l'impulsion précédente. Un récepteur spécialisé 26 relié à l'émetteur impulsionnel 25 qui lui transmet un signal de départ d'impulsion reçoit, analyse et mesure le signal de rétrodiffusion et sa durée pour déterminer la distance sur la fibre entre l'émetteur et la zone d'opacité 19. L'émetteur 25 fonctionne en permanence en régime impulsionnel. Chaque impulsion engendre une rétrodiffusion perçue par le récepteur 26 aussi longtemps qu'une zone de surchauffe 18 n'est pas atteinte par l'impulsion. Si l'impulsion rencontre à un endroit ou à un autre de son parcours une zone d'opacité I9, la rétrodiffusion est brusquement interrompue ainsi qu'en rendent compte les figures 9 et 10. La mesure par le détecteur 26 de la durée du signal de rétrodiffusion, permet de connaître à la fois I'existence et la présence d'une zone de surchauffe is. Comme indiqué ci-dessus, la fibre pourra présenter des rondes sensibles telles que 27, par exemple traitées par dopage ou autre modification destinée à varier l'indice, zones espacées d'intervalles 28 réguliers ou variables non traités de longueur en principe superieure à celles des zones sensibles. Par ailleurs, une fibre optique habillée par une enveloppe peu déformable 29, continue ou discontinue avec interposition d'une matière de compression 30 entre la gaine et l'enveloppe, permettra également d'obtenir les variations d'indice souhaitées (figure 6). La contrainte mécanique apportée par l'enveloppe engendrera avec I 'augmentat in de la température une augmentation de pression au sein de la gaine et donc une variation corrélative d'indice au droit de la zone de surchauffe. II suffira de choisir les matériaux convenables pour obtenir la zone d'opacité dans le domaine des températures correspondant à la zone de surchauffe. Les modes de détection décrits ci-dessus s'ap piquent de la même façon. A titre complémentaire, il convient d'ajouter que ces modes de détection permettent d'ajuster la température du seuil par variation de la fréquence c'est-àdire de la longueur d'onde du faisceau lumineux. On atteint ce but en utilisant un émetteur multifréquences. Par ailleurs, plusieurs seuils peuvent être exploités simultanément par l'emploi de plusieurs émetteurs de longueur d'onde différente ou un émetteur à gammes de fréquences multiples. Ce mode de fonctionnement permet une détection sélective à des températures différentes. Diverses modifications simples et du domaine des équivalents s'avèrent possibles sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATICS'; 1. Capteur linéaire de température du type à franchissement de seuil en vue de la détection d'une zone de surchauffe sur une structure linéaire de distribution d'énergie, câble, conduit ou autre, caractérisé en ce que l'élément sensible du capteur est une fibre optique (1) en contact continu avec la structure linéaire de distribution d'énergie , fibre dont les indices respectifs des matériaux composant le coeur n e et la gaine n et leurs variations sont choisis pour g s'égaler en début du domaine de surchauffe et provoquer en regard de la zone de surchauffe (18) une zone d'opacité (13) détectable par transmission ou reflexion d'un faisceau ou de plusieurs faisceaux de lumière monochromatique. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur lumineux monochromatique diode laser (12) ou électroluminescente (13) avec son filtre sélectif (14), un coupleur optique pour l'injection dans la fibre optique (1) à l'une de ses extrémités (11) et un détecteur lumineux (16) à son autre extrémité (15) pour une exploitation en mode de transmission. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend d'une part, à une de ses extrémités, un émetteur lumineux monochromatique diode laser (12) ou électroluminescente (13) avec son filtre monochromatique sélectif (14) émettant dans la fibre (1) à travers un coupleur (20) en "Y" dont une branche reliée à l'émetteur joue le rôle d'injecteur (21) et l'autre d'extracteur (22) de faisceau relié à un dispositif de détection (23) et, d'autre part, à son extrémité (15) un miroir (24) pour un exploitation en réflexion au cours de laquelle le faisceau est réfléchi sur le miroir (24) en l'absence de zone de surchauffe et non réfléchi en présence d'une zone d'opacité. 4. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend à l'une de ses extrémités un emetteur lumineux ( 5) en régime impulsionnel émettant dans la fibre (1) à travers un coupleur -(20) en "Y" dont une branche reliée à l'émetteur joue le rôle d'injecteur (21) L'autre étant couplée à un récepteur spécialisé (26) relié à l'émetteur (25) qui lui transmet un signal de départ d'impulsion pour la mise en oeuvre d'un mode d'exploitation en détection-localisation par rétrodiffu s ion. 5. Capteur selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce qu'il présente plusieurs émetteurs lumineux de longueurs d'onde différentes. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la longueur d'onde de l'émetteur est vaviable. 7. Capteur selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la fibre optique (1) présente des zones traitées ( 7) sensibles, séparées par des intervalles (28) non traités. 8. Capteur selon les revendications de 1 à 6, caractérisé en ce que la fibre optique (1) est habillée par une enveloppe peu déformable (29) avec interposition d'une matière de compressi-on (30) entre la gaine et l'enveloppe. 9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que la gaine est en verre et le coeur en silice. 10. Capteur selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la gaine est en silicones.