Brevet FR2676814A1 — publié le 19921127

La présente invention concerne des câbles métalliques ainsi qu'un procédé et un dispositif permettant la surveillance et le contrôle optique continu desdits câbles métalliques. Le contrôle et la surveillance des câbles constitués de torons métalliques est un problème mal résolu qui, dans certains cas, peut conduire à des accidents dus à une rupture. Actuellement, le contrôle, quand il est fait, utilise les systèmes à courant de Foucault. Mais cette opération coûte cher. Les fabricants sont donc la plupart du temps conduits à surdimensionner largement les câbles par rapport aux charges utiles afin de pouvoir espacer ces contrôles. L'invention propose un procédé et un dispositif permettant de remédier à ces inconvénients et de disposer d'un système simple de surveillance éventuellement en continu permettant de diminuer le surdimensionnement du câble tout en améliorant la sécurité des installations. Grâce à l'utilisation de câbles conçus à cet effet, les câbles selon l'invention, du type constitué de torons métalliques de longueur utile donnée, sont caractérisés en ce qu'il comportent parmi les torons au moins un câble optique, constitué d'une fibre optique et de sa gaine, présentant par rapport à la longueur du câble une surlongueur prédéfinie. L'utilisation de ces câbles rend possible leur contrôle ou surveillance en continu grâce au procédé selon l'invention. On place tout d'abord au milieu des torons au moins un câble optique présentant par rapport à la longueur du câble une surlongueur prédéfinie. Dans un câble métallique ainsi équipé et mis en place, on éclaire la fibre optique interne du câble à l'une de ses extrémités et on mesure en continu à cette extrémité ou à l'autre extrémité du câble l'atténuation subie par la lumière dans le câble, après un aller-retour ou seulement un aller de la lumière. La mesure de l'atténuation peut se faire globalement sur toute la longueur de la fibre par photométrie (transmission ou réflexion). On peut aussi utiliser la technique de la réflectométrie (OTDR) qui permet d'accéder à l'atténuation en chaque point. Cette seconde méthode permet d'effectuer la mesure en n'utilisant qu'unie seule extrémité et une détection localisée d'une contrainte trop forte ou de la rupture d'un brin. Le système fonctionnant en permanence donne en continu la mesure de l'atténuation en tout point, on a donc ainsi une sécurité quant au bon fonctionnement du système de surveillance. Toute atténuation brutale de la lumière reçue étant le signe de contrainte sur le câble optique, on peut par exemple émettre un signal d'alarme quand l'atténuation mesurée dépasse un seuil minimum donné. Un dispositif selon l'invention permettant la mise en oeuvre de ce procédé comporte un câble selon l'invention, constitué de torons métalliques de longueur donnée et d'au moins un câble optique de longueur légèrement supérieure, d'une source de lumière adaptée, préférentiellement d'intensité constante, placée à l'une des extrémités du câble pour éclairer la fibre optique, d'un détecteur de lumière placé à l'une ou l'autre extrémité du câble selon la méthode de mesure de l'atténuation choisie pour détecter et mesurer la quantité de lumière transmise ou réfléchie par la fibre optique. La surlongueur donnée à la fibre optique est évidemment fonction des caractéristiques mécaniques des fibres et du dâble utilisés mais également du domaine d'élongation du câble sur lequel on souhaite effectuer la surveillance. D'autres avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation, donné à titre illustratif et non limitatif. Un câble métallique s'allonge sous l'action d'une traction selon la loi suivante DL = FxL / SxE où L est la longueur initiale du câble, DL est l'allongement du câble soumis à la force de traction F, ledit allongement DL étant également fonction du module d'élasticité E du matériau constituant le câble et de la surface S de la section droite du câble. L'allongement du câble ne pose pas de problème tant que la contrainte F/S reste inférieure à un certain pourcentage de la limite élastique du matériau en deçà duquel le comportement du câble est élastique. La loi d'allongement, très connue en mécanique, s'applique à tous les matériaux dont le verre, et s'exprime en fonction de leur module d'élasticité E. Le verre, constituant des fibres optiques, possède en particulier un domaine élastique très restreint d'où la nécessité de soumettre la fibre à un allongement réduit par rapport à celui du câble métallique. Le câble optique placé au milieu des torons du câble métallique possède une surlongueur dLo par rapport à la longueur L desdits torons, de sorte que la fibre n'est pas contrainte tant que la force exercée sur le câble est inférieure à une force Fmin telle que Si l'allongement du câble est supérieur à Alto, il va y avoir une contrainte appliquée à la fibre d'autant plus grande que le module d'élasticité du verre est plus fort. Cette contrainte appliquée à la fibre va induire des changements de propriété de la fibre et en particulier une diminution de son pouvoir de transmission de la lumière. Les fibres optiques sont connues comme transmetteur de lumière. I1 suffit pour cela d'éclairer la fibre avec une source lumineuse adaptée. La lumière se propage le long de la fibre et y subit une certaine atténuation que l'on peut déterminer, concernant l'intensité lumineuse émise, par exemple directement en mesurant l'intensité lumineuse reçue à l'autre extrémité du câble à l'aide d'un détecteur adapté. Si l'on connaît l'intensité lumineuse émise, cette atténuation est connue et peut être considérée comme constante tant que la fibre n'est pas contrainte. Dès qu'unie contrainte est appliquée à la fibre, on observera au niveau du détecteur une augmentation de l'atténuation fonction des contraintes auxquelles est soumise la fibre. Il est possible de contrôler avec une grande précision la longueur et donc la surlongueur que l'on donne à la fibre. I1 faut toutefois éviter que la contrainte à laquelle on va soumettre la fibre dépasse une contrainte maximum, fonction des caractéristiques de la fibre, au-delà de laquelle la fibre va casser. Il est donc nécessaire d'adapter la nature et la structure du câble optique au domaine d'allongement et de contrainte du câble que l'on cherche à réaliser et à contrôler, de façon à avoir une sensibilité de mesure acceptable et que la fibre ne soit pas soumise à des déformations irréversibles.En d'autres termes, si la plage que l'on cherche à contrôler dans le domaine élastique du câble correspond à des allongements du câble compris entre deux valeurs DL1 et DL2, DL2 étant supérieure à DL1, la surlongueur de la fibre devra être théoriquement égale à DL1. I1 faudra cependant s'assurer que pour l'allongement maximum toléré (DL2-DL1) auquel sera soumis la fibre, celle-ci ne subira pas de déformation irréversible. Ceci ne sera jamais le cas si la limite d'élasticité de la fibre optique est au-delà de la limite d'élasticité du câble métallique. Dans le cas contraire, on pourra être amené à augmenter la surlongueur Lo de la fibre, la plage de surveillance se trouvant alors réduite à la plage [t Lo, DL2]. La valeur DL2 qui correspond à l'allongement maximum théoriquement toléré pour le câble, s'exprimera le plus souvent en fonction d'un pourcentage de la limite d'élasticité Le du câble (par exemple X = 25 à 30 %). On a alors la relation DL2 = X.L.Le. La surlongueur ALo donnée à la fibre optique sera de toutes manières comprise entre deux bornes extrêmes DLmin et DLmaX, telle que DLmax est égal à l'allongement correspondant à la limite élastique du câble et que DLmin est égal à la différence entre DLmax et l'allongement correspondant à la limite d'élasticité de la fibre optique. On peut disposer à l'intérieur d'un même câble plusieurs fibres présentant des surlongueur différentes. On dispose ainsi de plusieurs lignes de capteurs répartis calés sur des taux de contrainte différents. L'invention est utilisable pour toutes sortes de câbles. On peut ainsi, suivant l'application envisagée avoir par exemple des câbles à structure libre ou à structure serrée, avec des âmes en plastique ou encapsulées dans un tube en inox. La mesure de l'atténuation peut se faire de deux façons, soit globalement, soit point par point. Si on envoie de la lumière à une extrémité de la fibre, la lumière qui parvient à l'autre extrémité subit une atténuation A qui est constituée de la somme de deux atténuations. La première est constante pour une fibre donnée et proportionnelle à sa longueur. La seconde est égale à la somme des atténuations induites par les contraintes. Si a est l'atténuation linéique et Sk la sensibilité, on a A (db) = a * L + Sk (DL - DLo) I1 suffit de mesurer l'énergie couplée dans la fibre et l'énergie qui en sort, puis d'en effectuer le rapport pour obtenir une mesure de l'atténuation globale sans être perturbé par les variations de la source lumineuse. Il est aussi possible de travailler en réflexion en utilisant l'extrémité de la fibre comme un miroir. En connectant un coupleur en Y à l'entrée, on peut ainsi injecter la lumière par une branche du Y et mesurer l'énergie qui revient sur la seconde branche. La réflectométrie utilise quant à elle le temps que met la lumière pour parcourir une certaine distance comme indication de l'endroit dont elle arrive. Si on injecte de la lumière dans la fibre, celle-ci est partiellement réfléchie en chaque point. En même temps qu'elle est atténuée. Si on injecte une impulsion très brève, au cours de son déplacement dans la fibre, elle va s'atténuer et en même temps rétrodiffuser de la lumière qui va revenir en arrière mais décalée dans le temps en fonction de la distance. Si on mesure l'énergie ainsi reçue avec une résolution temporelle suffisante, on peut accéder à l'atténuation en tous points de la fibre. Un détecteur adapté dans ce cas peut être, par exemple, un réflectomètre OTDR. Le système possède bien sûr une résolution spatiale, typiquement quelques dizaines de cm et une résolution en amplitude d'atténuation.C'est la procédure qui est utilisée pour tester les fibres et les câbles optiques avant et après la fabrication et aussi en cours de pose. C'est donc une méthode éprouvée. On dispose ainsi d'une information sur la contrainte à laquelle est soumise la fibre tout au long du câble et en temps réel. Il est aussi possible de placer un multiplexeur optique à l'entrée de l'appareil de mesure afin de surveiller quasi-simultanément plusieurs fibres et donc plusieurs câbles. Le système peut aussi être utilisé pour mesurer la fatigue à laquelle est soumis un câble ou un flexible, car il est possible ainsi d'accéder aux variations de contraintes, amplitudes et nombres, sous réserve que les flexions alternées soient à une fréquence suffisamment faible. Bien entendu l'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit, mais elle englobe au contraire les diverses variantes accessibles au spécialiste, en restant dans le cadre de l'invention. En particulier si un câble optique ordinaire a une sensibilité faible aux contraintes auxquelles il est soumis, il est possible d'augmenter cette sensibilité afin de profiter de toute la dynamique d'atténuation en fonction de la longueur des câbles à surveiller. REVENDICATIONS 1 - Câble du type constitué de torons métalliques contrôlable en continu caractérisé en ce qu'il comporte parmi les torons au moins une fibre optique présentant par rapport à la longue du câble une surlongueur prédéfinie. 2 - Procédé pour la surveillance et le contrôle de câble constitué de torons métalliques de longueur L caractérisé en ce que - on place au milieu des torons au moins un câble optique présentant une sur longueur L prédéfinie par rapport à la longueur L du câble, - on éclaire la fibre optique à une de ses extrémités, - on mesure en continu à l'autre extrémité du câble l'atténuation totale subie par la lumière dans le câble, - on émet un signal quand l'atténuation dépasse un seuil donné. 3 - Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte - un câble constitué de torons métalliques de longueur L et d'au moins une fibre optique de longueur L +DL, - une source de lumière placée à l'une des extrémités du câble pour éclairer la fibre optique, - un détecteur de lumière placé à l'une ou l'autre extrémité du câble pour détecter et mesurer la quantité de lumière transmise ou réfléchie par la fibre optique.