Brevet FR2766266A1 — publié le 19990122

DISPOSITIF DE DETECTION D'UNE INTERFACE GAZ-LIQUIDE ET DE MESURE DE LA TEMPERATURE. L'invention concerne un dispositif de détection d'une interface gaz-liquide et de mesure de la température au voisinage de cette interface. On sait déjà détecter une interface gazliquide au moyen d'une fibre optique transmettant le flux lumineux émis par une source de lumière telle qu'une diode électroluminescente, en procédant de la façon suivante : on déplace l'extrémité libre de la fibre optique vers l'interface jusqu'à la faire pénétrer dans le liquide (ou inversement dans le gaz), on capte la lumière réfléchie par l'extrémité libre de la fibre optique et on mesure son intensité. Quand l'extrémité libre de la fibre optique est dans le gaz, elle réfléchit une fraction connue du flux lumineux transmis dans la fibre. Quand l'extrémité de la fibre optique est dans le liquide, elle ne réfléchit plus le flux lumineux et la détection de la variation de l'intensité lumineuse réfléchie dans la fibre optique permet la détection de la position de l'interface gaz-liquide. I1 est parfois utile ou nécessaire de mesurer également la température au voisinage de l'interface. L'invention a pour but de le faire de façon simple, efficace et peu coûteuse, en utilisant pour cela les moyens prévus pour la détection de l'interface gazliquide. Elle propose donc un dispositif de détection d'une interface gaz-liquide et de mesure de la température au voisinage de l'interface, ce dispositif comprenant une fibre optique dont une extrémité est mobile par rapport à l'interface précitée, une source lumineuse émettant un flux lumineux à spectre large transmis par la fibre optique et des moyens pour capter la lumière réfléchie dans la fibre par son extrémité libre, caractérisé en ce que la fibre optique comprend un réseau de Bragg inscrit au voisinage de son extrémité précitée et formant un filtre étroit réflectif dont la longueur d'onde centrale varie avec la température, et en ce que les moyens précités captant la lumière réfléchie dans la fibre optique par son extrémité libre et par le réseau de Bragg comprennent un système interférométrique dont la différence de marche est grande par rapport à la longueur de cohérence de la source et faible par rapport à celle de la lumière réfléchie par le réseau de Bragg, et qui est associé à des photorécepteurs reliés à des moyens de traitement de l'information, pour déterminer l'interface gaz-liquide et la température au voisinage de l'interface à partir, respectivement, du fond continu du signal du système interférométrique et de la phase de ce signal. La mesure du fond continu du signal de système interférométrique renseigne en effet directement sur la position de l'interface, car son intensité varie de manière proportionnelle au coefficient de réflexion de la lumière à l'extrémité de la fibre optique. Quant à la phase de ce signal, elle varie comme la longueur d'onde centrale de réflexion du réseau de Bragg et donc comme la température agissant sur ce dernier. Les variations de phase correspondent directement aux variations de température à l'endroit où se trouve le réseau de Bragg et un étalonnage préalable permet des mesures absolues de température. Selon une autre caractéristique de l'invention, la longueur d'onde centrale de réflexion du réseau de Bragg est sensiblement égale à la longueur d'onde centrale du flux lumineux émis par la source. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le système interférométrique précité recevant la lumière réfléchie dans la fibre optique est avantageusement du type décrit dans le brevet européen 0 428 702 de la demanderesse et comprend un élément biréfringent et des cubes séparateurs de polarisation associés à des photodétecteurs pour l'obtention de signaux du type 1(1 + m.cos). Ces signaux permettent d'obtenir facilement et simplement une valeur modulo 2s de la phase. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement les composants essentiels du dispositif selon l'invention - la figure 2 représente schématiquement les signaux que l'on obtient en sortie de la fibre optique. Le dispositif de la figure 1 est destiné à détecter la position d'une interface 10 entre un gaz 12 et un liquide 14 au moyen d'une fibre optique 16 dont l'extrémité libre 18 est déplaçable, par des moyens appropriés non réprésentés, en direction de l'interface 10 comme schématisé par la double flèche 20 de façon à pouvoir être soit dans le gaz 12, soit dans le liquide 14. La fibre optique 16 transmet le flux lumineux émis par une source 22 telle qu'une diode électroluminescente émettant sur une longueur d'onde centrale de 1300 nm, la largeur spectrale du flux émis étant par exemple de l'ordre de 50 nm. Lorsque l'extrémité libre 18 de la fibre optique est dans le gaz 12, elle réfléchit dans la fibre optique 16 une fraction connue du flux lumineux qui lui parvient et ce flux réfléchi est appliqué, par un coupleur 24 et une fibre optique 26 à l'entrée de moyens appropriés de détection et de mesure. Lorsque l'extrémité libre 18 de la fibre optique 16 est dans le liquide 14, elle ne réfléchit plus de flux lumineux dans la fibre optique. Selon l'invention, un réseau de Bragg est inscrit dans le coeur de la fibre optique 16 au voisinage de son extrémité libre 18, ce réseau de Bragg étant désigné par la référence 28 en figure 1. De façon très schématique, l'inscription d'un réseau de Bragg sur une fibre optique consiste à créer une modulation d'indice périodique dans le coeur de cette fibre. Cela permet de générer un phénomène d'interférences constructives entre les différents signaux qui sont réfléchis par les parties de ce réseau correspondant aux valeurs maximales de l'indice de réfraction. Un réseau de Bragg inscrit dans le coeur d'une fibre optique se comporte comme un filtre étroit réflectif centré sur une longueur d'onde déterminée par le pas du réseau et par l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique. Dans le cas présent, le réseau de Bragg est déterminé pour que la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie vers l'arrière dans la fibre optique 16 soit sensiblement égale à la longueur d'onde centrale de la lumière émise par la source 22, la largeur spectrale de la lumière réfléchie par le réseau de Bragg autour de cette longueur d'onde centrale étant très faible, de l'ordre de lnm. Le coefficient de réflexion du réseau de Bragg est relativement élevé, par exemple de 75%. Ce coefficient de réflexion est très supérieur à celui de l'extrémité libre 18 de la fibre optique 16, qui est de l'ordre de 3,48. Ces différences de coefficient de réflexion et de largeur spectrale de la lumière réfléchie permettent la distinction entre la lumière réfléchie par l'extrémité libre 18 de la fibre optique (dans le gaz) et la lumière réfléchie par le réseau de Bragg 28, comme représenté schématiquement en figure 2. Dans cette figure, le signal A représente schématiquement, en fonction de la longueur d'onde, l'amplitude du signal lumineux réfléchi dans la fibre optique 16 quand son extrémité libre 18 est dans le gaz 12. Le signal A se compose d'un pic 30 très étroit centré sur la longueur d'onde centrale du réseau de Bragg et d'une base arrondie 32 dont la largeur spectrale correspond à celle du flux lumineux émis par la source 22. Quand l'extrémité libre 18 de la fibre optique est dans le liquide 14, on obtient à la place du signal A, le signal B qui est constitué uniquement du pic très étroit 30 correspondant à la lumière réfléchie par le réseau de Bragg. La lumière réfléchie dans la fibre optique 16 par son extrémité libre 18 et par le réseau de Braag 28 est appliquée à l'entrée d'un système interférométrique 34 ayant une différence de marche nettement supérieure à la longueur de cohérence du flux lumineux émis par la source 22, ce système interférométrique 34 étant associé à des photorécepteurs 36 dont les sorties sont reliées à des moyens 38 de traitement de l'information. Avantageusement, le système interférométrique 34 est du type décrit dans le brevet européen 0 428 702 de la demanderesse et comprend un élément biréfringent associé à des cubes séparateurs de polarisation dont les sorties sont appliquées aux photodétecteurs 36 et fournissent des signaux de sortie du type I(1 + m.coscp), I(1 - m.cosp), I(1 + m.sinp), I(1 - m.sin p). Le signal S enregistré par les photodétecteurs peut s'écrire sous la forme générale suivante S = nPO [p + kRB + m.cos 2s Ai #1 où : n, k et m sont des coefficients de proportionnalité, RB est le coefficient de réflexion du réseau de Pragg, p est le coefficient de réflexion à l'extrémité de la fibre optique, P0 est la puissance totale délivrée par la source 22, R1 est la longueur d'onde centrale du réseau de Bragg, A est la différence de marche du système interférométrique 34. La mesure du fond continu de ces signaux permet de détecter l'arrivée de l'extrémité 18 de la fibre optique 16 à l'interface 10 entre le gaz et le liquide, tandis que la mesure de la phase de ces signaux, qui est inversement proportionnelle à la longueur d'onde centrale de réflexion du réseau de Bragg permet de mesurer les variations de la température agissant sur le réseau de Braag et, moyennant un étalonnage, les valeurs absolues de cette température. Les variations de la longueur d'onde centrale de réflexion du réseau de Bragg sont typiquement de l'ordre de 10 pm/OC. Avantageusement, on détermine le réseau de Bragg pour que la puissance lumineuse disponible (réfléchie dans la fibre optique 16 et transmise par la fibre optique 26) soit à peu près également répartie entre les phénomènes résultant de la réflexion sur extrémité libre 18 de la fibre optique 16 et de la réflexion sur le réseau de Bragg 28. Il faut pour cela que la relation suivante soit satisfaite p.AX0 = avec p = coefficient de réflexion de l'extrémité 18 de la fibre optique = 3,4 % AX0 = largeur spectrale du flux émis par la source 22 = 40 nm RB = coefficient de réflexion du réseau de Bragg 100% d'où : ##1 = 1,36 nm. On peut donc obtenir une répartition sensiblement égale de la puissance lumineuse entre les deux phénomènes, en utilisant un réseau de Bragg formant un filtre réflectif relativement large. REVENDICATIONS 1) Dispositif de détection d'une interface gaz-liquide et de mesure de la température au voisinage de cette interface, ce dispositif comprenant une fibre optique (16) dont une extrémité (18) est mobile par rapport à l'interface (10) précitée, une source lumineuse (22) émettant un flux lumineux à spectre large transmis par la fibre optique (16) et des moyens (24, 26) pour capter la lumière réfléchie dans la fibre optique par son extrémité libre, caractérisé en ce que la fibre optique (16) comprend un réseau de Bragg (28) inscrit au voisinage de son extrémité libre précitée et formant un filtre étroit réflectif dont la longueur d'onde centrale varie avec la température, et en ce que les moyens précités captant la lumière réfléchie dans la fibre optique comprennent un système interférométrique (34) dont la différence de marche est grande par rapport à la longueur de cohérence de la source (22) et faible par rapport à celle de la lumière réfléchie par le réseau de Bragg, et qui est associé à des photorécepteurs (36) reliés à des moyens (38) de traitement de l'information, pour déterminer l'interface gaz-liquide et la température agissant sur le réseau de Bragg à partir, respectivement, du fond continu du signal du système interférométrique et de la phase de ce signal. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde centrale de réflexion du réseau de Bragg est sensiblement égale à la longueur d'onde centrale du flux lumineux émis par la source (22). 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source (22) est une diode électroluminescente émettant un flux lumineux ayant une longueur d'onde centrale de 1300 nm avec une largeur spectrale d'environ 50 nm. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système interférométrique 34 recevant la lumière réfléchie dans la fibre optique (16) comprend un élément biréfringent et des cubes séparateurs de polarisation associés en sortie à des photodétecteurs (36) pour fournir des signaux du type I(1 e m.cos). 5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau de Bragg (28) est déterminé pour que la puissance lumineuse réfléchie dans la fibre optique 16 soit due à parts sensiblement égales à la réflexion sur ce réseau et à la réflexion sur l'extrémité (18) de la fibre optique (16)