Brevet FR2626382A1 — publié le 19890728

La présente invention se rapporte à un procédé d'architecture de réseaux à fibre optique et à son application, notamment dans les systèmes de mesure à distance. L'état de l'art actuel utilise, pour l'essentiel, des conducteurs métalliques, du type à paires téléphoniques ou coaxiaux. L'évolution récente de ces techniques consiste en c -ue les systèmes électroniques sont reliés à 1'aise de fibres optiques qui offrent plusieurs possibilités intéressantes, telles que l'alimentation sous forme d'énergie optique avec conversion opto-électrique de système électronique. Cette technique actuelle est appelée opto-ali-tentation. Toutefois, la limite pratique de l'opto-alimentation est rapidement atteinte en raison de la faible énergie pouvant transiter par la fibre optique, ainsi que le faible rendement énergétique des convertisseurs photovoltaïques qui évolue entre huit et vingt pour cent. D'autres technologies connexes et, notamment, les récents développements des diodes laser de puissance qui permettent de fournir une puissance de un watt en émission continu à la longueur d'onde de sept cent quatre vingt à huit cent trente manomètres et les bonnes performances atteintes par les convertisseurs photovoltalques permettent de nos ours d'envisager la réalisation industrielle de réseaux de haute performance équipés de capteurs électriques opto-alim.entés par fibre optique. Le brevet nO 2.583.942 du 18 juin 1986 propose une installation de télé-alimentation à guide optique qui se rapporte à la transmission de l'énergie. Dans cette installation, la source d'énergie est émise par une source lumineuse qui est transmise le long d'un guide optique. Cette énergie est ensuite convertie en énergie électrique par un convertisseur, éventuellement, suivi d'un dispositif variateur afin d'alimenter une charge électrique. Les principales applications étant l'alimentation de dispositifs de mesures, capteurs ou actionneurs dans des environnements d-fficiLes tels que les hautes tensions électriques, les perturbations électromagnétiques, les agents chimiques, la présence d'explosif, etc. Toutefois, cet état de l'art présente conte inconvénient le fait que, lors d'une coupure de la fibre optique, la liaison est interromnue avec toutes les conséquences qui en découlent. La présente invention s'insère dans cette dvolution technique. L'objet principal de cette Invention est une arcitecture originale à deux sens de propagation. Un second objet de la présente invention est d'obtenir une répartition uniforme de la puissance disponible par chacun des postes opto-alimentés. Un troisième objet de l'invention est d'utiliser des dérivateurs optiques identiques sur l'ensemble du réseau. Un quatrième objet de l'invention est la possibilité d'ajouter ou de supprimer un poste opto-alimenté sur le réseau sans perturber la répartition homogène de la puissance optique. Un autre objet de ladite invention concerne un système de sécur-ité de ligne assurant un maintien du fonctionnement en cas de rupture de fibre. Avant de décrire l'invention, il nous paraît nécessaire de définir les difficultés auxquelles on se heurte en matières de capteurs à fibres optiques. La première de ces difficultés concerne la maîtrise des variations aléatoires des pertes optiques le long des fibres ainsi que les pertes au niveau des connecteurs. La deuxième de ces difficultés est d'ordre technico-psychologique, en ce sens que les milieux industriels ne sont pas encore tout à fait convaincus de l'efficience de ce nouveau type de capteur à fibres optiques dont l'utilisation nécessite la modification des installations existantes. La mise en exergue de ces diificultes permet de mieux percevoir l'intérêt de cette invention relative à la mise en oeuvre d'un procédé original de réseau de capteur classique opto-alimenté et hybride optoélectronique. De plus, nous rappellerons également qu'une chaîne de mesure de capteur classique opto-alimenté par fibres optiques permet de réaliser en conditionnement "tout optique" une chaîne de capteurs électriques classiques. En effet, il suffit d'envoyer l'énergie nécessaire au fonctionnement du capteur électrique sous forme de radiation dans une ligne à fibre optique. Le conditionneur effectue la convertion opto-électronique afin d'alimenter le capteur'électrique et retransmet l'information du capteur sous forme optique vers l'utilisateur. Les avantages de ce procédé sont ceux afférents aux liaisons par fibres optiques qui sont nombreuses et, notamment, l'insensibilité aux champs électromagnétiques, l'isolation galvanique, la légèreté, la robustesse, etc. En outre, ce procédé ne nécessite pas le développement de capteurs spécifiques. Ce procédé permet, par exemple, de transformer un réseau existant tout en conservant les capteurs déjà en place. La mise en place d'un tel procédé est possible notamment en raison des performances accrues des cellules photovoltaïques. -Les cellules photovoltaïques disponibles actuellement du type silicium. îles sont adaptées au spectre d'émission du soleil et ont un rendement de conversion de 8% pour des cellules en silicium amorphe et dite 7 =+^6 pour des cellules silicium cristallin. Dans le cas d'une opto-alientation par laser, le flux lumineux reçu par le convertisseur photovoltaïque est monochromatique. I1 est alors possible d'adapter le matériau. semi-conducteur à la longueur d'onde du laser de facon quasi parfaite, le rendement interne de collecte est alors proche de l'unité. La réalisation de cellules spécifiquement adaptées à un rayonnement monochromatique permet d'augmenter considérablement le rendement de conversion opto-électrique. Pour un éclairage monochromatique, le rendement théorique maximum de conversion opto-électrique est de l'ordre de 595'3 pour les composes de type AsGa. Un convertisseur photovoltaïque assure la conversion directe de l'énergie lumineuse en énergie électrique. La partie active de la cellule est -une jonction p-n réalisée avec un matériau semi-conducteur dont la largeur de bande interdite est adapte aux caractéristiques du flux lumineux incidents. Pour être convertie en énergie électrique, une photon doit avoir une énergie hv supérieur ou égal à Eg; g la diiierence d'énergie est perdue sous forme thermique. La réalisation de réseau performant de capteurs opto-alimentes est rendue'possible par le développement récent de diodes laser de puissance, jusqu a un watt C\q monocanal aux alentours de P3C manomètres disponibles sur le marché et par une industrialisation de convertisseurs photovoltaïques performants. Toutefois les puissances en jeu restent relativement faIbles, et une bonne gestion de l'énergie disponible est indispensable. Pour cette raison, il faut, d'une part, une gestion optimise du capteur autant dans l'acquisition de la mesure que dans la transmission de l'information, et, d'autre part, une structure originale du réseau de fibres. D'autres objets, caractéristiques et avantages me la présente invention, seront mieux compris et apprenendls gracie aux figures ciaprès La figure 1 représente la synoptique du système d' opto-alimentation du capteur. La figure 2 représente la structure optique d'un réseau bifibre de capteurs opto-alimentés ainsi que les bifurcations optiques et le mode de répartition de la puissance. La figure 3 représente le détail de l'alimentation optique et de la transmission d'un réseau bifibre à répartition de puissance homogène. Les figures 4 et 5 représentent la distribution de puissance fournie à chaque système opto-alimenté par les deux fibres optiques d'alimentation, ainsi que la somme de la puissance disponible pour chaque système opto-alimenté. La figure 4 correspond à un réseau de cinq systèmes opto-alimentes équipés de connecteurs radials et de coupleur 90/10. La figure 5 correspond à un reseau de dix systèmes opto-alimentés équipés de connecteurs radials et de coupleurs 90/10. Nous revenons à la figure 1 qui représente l'organisation interne du conditionneur capteur qui se compose de trois parties et comprend A- Un circuit de conversion opto-électrique à haut rendement 1. B- Un circuit de gestion 2, d'excitation du capteur 3 et d'acquisition de la mesure 4. C- Un circuit demis en forme et convertion électro-optique. A- Le circuit de converti on opto-électrique à haut rendement permettant d'obtenir un circuit hybride adaptable à de nombreux cas d'opto-alimentation. Il a deux fonctions distinctes, à savoir a) stockage d'énergie 5 et élévation de tension 6 b) détection des messages issus de l'unité de contrôle a) stockage d'énergie et élévation de tension le circuit doir gérer plusieurs cellules photovoltaïques en les utilisant au mieux de leurs caractéristiques v- f(e). I1 comporte un stockage de l'énergie et une élévation de tension fournissant l'énergie électrique sous la forme désirée. Une information logique sur l'état de charge sera fournie par les modules 5 et 6. Cette information renseignera les circuits en aval sur la quantité d'énergie disponible. Le stockage sera assuré par exemple par des condensateurs au tantale, et l'élévation de tension par exemple par des circuits CMCS à capacité commutée. La tension minimale de 1,5 volt nécessaire au fonctionnement de ce type de circuit peut être délivrée par exemple par seulement deux photodiodes AsGa 8. b) détection des messages issus de l'unité de contrôle l'unité de contrôle 2, 3, 4, 9 peut à tout moment converser avec un conditionneur de capteur pour effectuer un test, demander une mesure, ou adresser un mode particulier de fonctionnement. Ces messages sont transmis sous forme de modulation des lasers de puissance. nn organe de détection de messages sera incorporé à ce module. 8- Le circuit de gestion, d'excitation du capteur et d'acquisition de la mesure le circuit de gestion 11 (figure 27 sera capable de reconnaître si un message détecté lui est adressé, de reconnaître son contenu, d'élaborer un message de réponse. Il sera charmé te décider si la quantité d'énergie électrique stockée est suffisante pour déclencher une prise de mesure ainsi que de commander la séquence des opérations relatives au fonctionnement du capteur. La séquence des opérations sera typiquement la suivante - activation des circuits d'acquisition - excitation du capteur - mémorisation analogique de la mesure - mise en état de veille des circuits d'acquisition - activation des circuits de codage - codage de la mesure nénorisee ; compris grandeurs d'influence et d'identification) - mise en état de veille des circuits de codage. Ce module peut être réalisé à partir de circuits logiques HCÒS, d'amplificateurs opérationnels programmables et de composants discrets JOS et bipolaires. La plus grande partie de ce nodule sera commune à tous les capteurs envisagés 10. L'adaptation du nodule au type et à la sensibilité du capteur conditionné s'effectuera à l'aie de quelques composants passifs discrets. Le codage de la mesure peut être du type "position d'impulsion". Dans ce cas, trois impulsions seront émises : une impulsion de départ, une impulsion mesure, et une impulsion d'arrêt. Le rapport des deux intervalles de temps ainsi défini contient l'information de mesure. Ce type de codage est autoréférencé, le contenu n'est pas influencé par les variations de perte en ligne et l'énergie nécessaire à son support est minime. Une quatrième impulsion code suivant le êce principe une grandeur d'influence. Une cinquième impulsion code une grandeur réputée invariable qui sert à la fois d'identification du capteur et de contrôle des performances de la chaîne. C- Le circuit de mise en fore et convertion électro-op tique 12 (figure 3). Ce module est chargé de la mise en forme tes impulsions -~ectriques du codage, et du pilotage des L La figure 2 represente l'architecture de réseau Le soin porte à l'architecture et au choix des composants du réseau a une incidence directe sur les performances du système. Plusieurs solutions sont envisageables : l'utilisation d'une fibre pour le transport bidimensionnel de puissance et d'une fibre pour le transport bidimensionnel d'information, ou bien d'une seule fibre pour le transport bidimensionnel de la puissnce et de l'information, ou encore de deux fibres ; chacune d'elles servant au transport de la puissance optique dans un sens et de l'information dans l'autre sens. Pour assurer un bon fonctionnement d'ensemble, il est nécessaire que tous les capteurs du réseau reçoivent approximativement la même puissance optique. Sur le réseau sont insérés autant de dérivateurs optiques 15 que de capteurs 10 à gérer. Dans le cas d'un réseau avec un seul sens de propagation de la puissance lumineuse, on doit utiliser des dérivateurs optiques différents tout au long du réseau. Une telle structure complique eonsidérablement l'installation du réseau. De plus, si l'on insère ou enlève un capteur sur le réseau, on perturbe considérablement la répartition de puissance des autres capteurs. Le réseau est à structure symétrique à deux fibres et deux sens de propagation 13-14 et '6-17. Chaque fibre assure le transport de la puissance optique vers l'ensemble des capteurs, ainsi que la retransmission d'informations vers l'unité de contrôle du réseau. Les coupleurs optiques 15 utilisés sont tous identiques. Selon cette version préférée, représentée selon une autre version, les coupleurs optiques peuvent ne pas etre identiques. Tous les capteurs opto-alimentés du réseau reçoivent l'énergie optique provenant des deux fibres. Cette énergie est transmise dans les deux sens par les deux extrémités du réseau. L'émission d'information de chaque capteur est elle aussi transmise dans les deux sens. Cette structure possède les avantages suivants - elle assure une assez bonne hoogénisation de l'énergie reçue par chaque capteur le long de la boucie (figure 4 et 5), - elle permet de modifier le nombre de capteurs opto-alimentés du réseau sans déséquilibrer la répartition de puissance, - elle permet de permuter des capteurs sans modifier sensiblement l'énergie dont ils disposent, - elle fournit une certaine sécurité au réseau. Si les deux fibres sont sectionnées, à un même endroit du réseau, ce dernier continue à fonctionner avec des performances réduites 'alimentation optique redite). REFERENCES 1. Circuit à haut rendement 2. Circuit de gestion 3. Capteur 4. Mesure 5. Energie 6. Tension 7. Unité de contrôle 8. Photodiode AsGa 9. Unité de contrôle 10. Capteur 11. Circuit de gestion 12. Convertion electro-optique 13. Sens de propagation 14. Sens de propagation 15. Coupleur optique 16. Sens de propagation 17. Sens de propagation SEVENDICATTONS 1. Procédé de transmission à fibre optique caractérisé en ce que ledit procédé utilise - 1 - Une structure optique monofibre ou fibre à deux sens de transmission (13-14) et (16-17), et utilise un circuit de gestion (11) capable de reconnaître les messages qui iOi scnt noresses, de reconnaître son contenu et d'élaborer un message de réponse avec au moins la mise en oeuvre d'une quantité d'énergie électrique adéquate pour déclancher une prise de mesure et une commande de séquencement relative au fonctionnement du capteur (10), grâce à des moyens électroniques tels que des circuits logiques ou d'amplificateur opérationnel associés à des composants passifs discrets formant le convertisseur electro-optlque (12), - 2 - Un codage de la mesure, - 3 - Un mode de répartition uniforme de la puissance, - 4 - Des bifurcations optiques, - 5 - Des capteurs opto-alinentés, - 6 - Un ensemble de sécurité de ligne. 2. Procédé de transmission à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise un codage de la mesure qui est du type à "position d'impulsions" ; lesdites impulsions se décomposent en - une impulsion de départ, - une impulsion mesure, - une impulsion d'arrêt ; l'information de mesure est définie par le rapport entre les deux intervalles de temps ; de plus, une quatrième impulsion code une valeur d'influence et une cinquième impulsion code une grandeur réputée invariable. 3. Procédé de transmission à fibre optique selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le mode de répartition uniforme de la puissance est obtenu grâce à la structure bifibre ou nonofibre i' 3-14, à deux sens de propagation (16-17). 4. Procédé de transmission à fibre optique selon i'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des bifurcations optiques utilisent un ou des dérivateurs ou coupleurs (15) alimentés par l'énergie et les informations transportées par onacune des seaux fibres optiques. 5. Procédé de transmission à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'un ou des capteurs opto- alimentés comportent - un circuit de conversion opto-électronique '1,, - un circuit de gestion (3), - un circuit d'excitation du capteur (3), --un circuit d'acquisition de la mesure (4), - un circuit de mise en forme et conversion opto-électronique qui utilise des moyens tels que - un circuit emmagasineur d'énergie (5!, - un circuit élévateur de tension (6), - un circuit détecteur de message (7). 6. Procédé de transmission à fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'un système de sécurité de ligne est obtenu grâce à la structure bifibre ou monofibre (13-14) et à l'émission de puissance et d'information transmise dans les deux sens de propagations (16-17) par les deux extrémités du réseau. 7. Procédé selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les coupleurs optiques (15) sont tous identiques. 8. Procédé selon la revendication 4 caractérisé par le fait que les coupleurs optiques (15) ne sont pas identiques. 9. Réseau de fibres optiques pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8 caractérisé par le fait qu'il est constitué d'une structure optique bifibre ou monofibre à deux sens de transmission (13-14) et (16-17), d'un circuit de gestion (11) capable de reconnaître les messages qui lui sont adressés, de reconnaître son contenu et d'élaborer un message de réponse avec au moins la mise en oeuvre d une quantité d'énergie électrique adéquate pour déclancher une prise de mesure et une commande de séquencement relative au fonctionnement du capteur, grâce à des moyens électroniques tels que des circuits logiques ou d'amplificateur opérationnel associes à ces composants passifs discrets. 10. Réseau selon la revendication 9 caractérisé par le fait qu'il est constitué de bifurcations optiques qui utilisent un ou des dérivateurs ou coupleurs identiques (15) alimentés par l'énergie et les informations transportées par chacune des deux fibres optiques. 11. Réseau selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10 caractérisé par le fait qu'un ou des capteurs opto-alimentés comportent - un circuit de conversion opto-électronique (1), - un circuit de gestion (2), - un circuit d'excitation du capteur (3), - un circuit d'acquisition de la mesure (J!, - un circuit de mise en forme et conversion opto-électronique qui utilise des moyens tels que - un circuit emmagasineur d'énergie (5), - un circuit élévateur de tension (5), - un circuit détecteur de message (7).