Brevet FR2899971A1 — publié le 20071019

La présente invention concerne le domaine des capteurs optiques dont l'utilisation est, en particulier, avantageuse dans des zones où les risques d'explosion existent, par exemple dans les raffineries pétrolières, ou les sites d'exploitation pétrolière. 15 La mesure de l'amplitude du signal lumineux réfléchi par l'extrémité d'une fibre optique est un moyen simple pour fabriquer un capteur, soit pour renseigner sur l'état ou la nature d'un milieu environnant cette extrémité de fibre, soit pour utiliser cette information dans un système de détection et/ou d'alarme. Ce principe a été décrit dans le document FR-2849194 qui 20 concerne des alarmes de détection d'un état de corrosion faisant appel à une mesure optique. L'utilisation de ce principe peut être étendue à tout type de capteur fondé sur le changement de l'indice de réfraction du milieu dans lequel se trouve l'extrémité de la fibre (dans la mesure où cela induit une modification mesurable de l'amplitude lumineuse réfléchie). Actuellement, 25 l'information récupérée est binaire, c'est-à-dire que le capteur permet de différencier entre deux états du milieu en question: une situation initiale et une situation dégradée. Dans ce dispositif antérieur, la fibre optique sert à la fois d'outil de détection et de moyen pour transporter le signal lumineux, à l'aller depuis 30 l'émetteur, et au retour jusqu'au récepteur, via un coupleur optique. L'inconvénient de ce dispositif est qu'il nécessite une fibre optique par capteur, c'est-à-dire par point de mesure installé sur l'équipement instrumenté. Ceci augmente les coûts, ainsi que les risques d'avaries, aussi bien au moment du déploiement des fibres qu'en service. De plus, si les fibres peuvent être regroupées à l'intérieur d'un même câble, les capteurs doivent obligatoirement se situer dans un même voisinage. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif d'instrumentation optique comportant en combinaison: - une fibre optique reliée par une de ses extrémités à des 10 moyens de contrôle de l'instrumentation, - une pluralité de coupleurs distribués le long de ladite fibre, - une pluralité de capteurs reliés auxdits coupleurs par un tronçon de fibre optique, - lesdits moyens de contrôle de l'instrumentation comportant 15 des moyens d'émission de signaux optiques, des moyens de réception des signaux réfléchis par lesdits capteurs, des moyens d'identification de la provenance desdits signaux réfléchis, des moyens d'analyse de l'information fournie par lesdits capteurs par l'intermédiaire desdits signaux réfléchis. 20 Les capteurs peuvent détecter le changement d'indice de réflexion d'un milieu en contact avec les capteurs. Les moyens d'identification peuvent comprendre des moyens de mesure du temps de transit, ou "temps de vol", des signaux entre les capteurs et les moyens de contrôle. 25 L'invention concerne également une méthode d'instrumentation optique comportant les étapes suivantes: - on relie une fibre optique par une de ses extrémités à des moyens de contrôle de l'instrumentation, - on dispose une pluralité de coupleurs le long de ladite fibre, 30 - on relie une pluralité de capteurs auxdits coupleurs par un tronçon de fibre optique, - on émet par lesdits moyens de contrôle de l'instrumentation des signaux optiques, - on reçoit des signaux réfléchis par lesdits capteurs, - on identifie la provenance desdits signaux réfléchis, 5 - on analyse l'information fournie par lesdits capteurs par l'intermédiaire desdits signaux réfléchis. On peut identifier la provenance des signaux réfléchis en fonction de la connaissance de la géométrie du dispositif et du "temps de vol" des signaux. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de l'exemple de réalisation décrit ci-après, nullement limitatif, et illustré par la figure unique qui représente schématiquement l'architecture du dispositif selon l'invention. 15 Sur la figure unique, des capteurs 1 sont répartis sur un équipement, ou une structure à instrumenter (non représenté). L'ensemble des capteurs est distribué le long d'une fibre optique unique 2. Elle est raccordée à un dispositif d'émission/réception 3 du signal lumineux qui transite par cette 20 fibre 2. Chaque capteur est disposé à l'extrémité d'un tronçon de fibre 4, lequel est raccordé à la fibre principale 2 par l'intermédiaire d'un coupleur optique 5. Le ratio de couplage de chaque coupleur 5 est choisi en fonction du nombre total de capteurs 1, de la position du capteur considéré par rapport à l'ensemble des autres capteurs et du phénomène d'atténuation, 25 principalement dans la fibre 2, pour les capteurs les plus éloignés. La condition d'équilibrage de l'ensemble est que chaque capteur reçoive un signal optique d'une intensité suffisante pour que, compte tenu de l'indice de réfraction effectif ou attendu, l'amplitude du signal qui parvient en retour au récepteur de la part de chaque capteur soit suffisante pour permettre une 30 détection sans ambiguïté du changement d'état de ce capteur. Le signal lumineux peut être émis par une source laser, et modulé temporellement pour produire des impulsions en forme de créneau. Par ailleurs, tous les capteurs étant distribués sur une même fibre, il est nécessaire d'identifier le signal correspondant à chacun d'entre eux. Ceci est réalisé par une mesure de "temps de vol". Le signal lumineux incident est donc émis sous forme d'impulsions. Le temps mis par l'impulsion réfléchie pour parvenir au récepteur est directement proportionnel à la distance qui le sépare du capteur considéré. Ainsi, par l'analyse des signaux réfléchis en fonction du temps de vol, on localise l'endroit d'où chaque impulsion a été réémise et on identifie alors facilement le capteur qui l'a produite. Par la suite, ceci permet de créer une représentation pseudogéométrique du système en faisant coïncider la répartition temporelle avec la position spatiale des capteurs par homothétie entre l'axe des temps de mesure et l'axe des distances des positions connues des capteurs par la connaissance de la vitesse de propagation dans la fibre, les impulsions réfléchies étant tracées en fonction du temps de vol aller-retour le long de la fibre principale 2. Ce type de localisation par temps de vol d'un signal optique est décrite dans le document US-5,144, 125 qui porte sur la détection et la 20 localisation des incendies grâce à un réseau de fibres optiques. Toutefois, l'utilisation et la mise en oeuvre de ce principe y sont très différentes de la présente invention: - il ne s'agit pas d'une mesure distribuée : chaque fibre optique étant le capteur lui-même, il y a donc autant de fibres que 25 de "capteurs"; - la détection consiste en la destruction locale de la fibre par le feu; -chaque fibre (ou capteur) possède un système d'émission-réception à chacune de ces extrémités; - le temps de vol est l'information recherchée pour localiser l'incendie, alors que selon la présente invention, l'architecture et la localisation des capteurs est connue; Selon la présente invention, la distance couverte (distance du capteur le plus éloigné de l'émetteur) est conditionnée par la qualité du signal de retour acquise grâce au récepteur. En terme d'efficacité globale du dispositif, l'amplitude du signal acquise par le récepteur est prépondérante car c'est elle qui permet de discerner le changement d'état détecté par le capteur, lo sans être perturbé par le bruit lié à des événements parasites sur la ligne. Outre la longueur de la fibre, cette amplitude du signal de retour est fonction des paramètres suivants : - amplitude du signal incident (dépend de la puissance de l'émetteur); 15 - atténuation linéaire dans la fibre; - rendement des coupleurs (qualité de la réalisation) ; - nombre de capteurs (donc de coupleurs) à éclairer (partition du signal) et ratio de couplage; -rendement de la réflexion à l'extrémité de la fibre située 20 sur le capteur. Les quatre premiers paramètres relèvent, ou bien du cahier des charges, ou bien des choix de composants qui sont fait pour y répondre, ou bien encore de la qualité de la réalisation. 25 Le rendement de la réflexion en extrémité de fibre peut quant à lui être fortement amélioré en adoptant une géométrie particulière de cette extrémité. Celle-ci peut avantageusement être taillée en forme de cône ayant un angle au sommet de l'ordre de 90 . Par rapport à une fibre ayant une extrémité plate, le rendement de la réflexion est augmenté d'un facteur 30 de gain de l'ordre de 8 dB. Toutes conditions égales par ailleurs, ceci permet ainsi d'augmenter dans les mêmes proportions la distance de mesure couverte par notre dispositif. De plus, ceci permet de conserver, après le changement d'état du milieu environnant, une réflexion lumineuse suffisamment élevée pour éviter toute confusion d'interprétation avec une avarie au niveau de la fibre. Une rupture de cette dernière conduit en effet à un effondrement bien plus marqué du signal réfléchi. 20 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'instrumentation optique comportant en combinaison: - une fibre optique (2) reliée par une de ses extrémités à des moyens de contrôle de l'instrumentation (3), - une pluralité de coupleurs (5) distribués le long de ladite fibre, - une pluralité de capteurs (1) reliés auxdits coupleurs par un tronçon de fibre optique (4), - lesdits moyens de contrôle de l'instrumentation comportant des moyens d'émission de signaux optiques, des moyens de réception des signaux réfléchis par lesdits capteurs, des moyens d'identification de la provenance desdits signaux réfléchis, des moyens d'analyse de l'information fournie par lesdits capteurs par l'intermédiaire desdits signaux réfléchis. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel lesdits capteurs détectent le changement d'indice de réflexion d'un milieu en contact avec les capteurs. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'identification comprennent des moyens de mesure du temps de transit, ou "temps de vol", des signaux entre les capteurs et les moyens de contrôle. 25 4. Méthode d'instrumentation optique comportant les étapes suivantes: - on relie une fibre optique par une de ses extrémités à des moyens de contrôle de l'instrumentation, 30 - on dispose une pluralité de coupleurs le long de ladite fibre,- on relie une pluralité de capteurs auxdits coupleurs par un tronçon de fibre optique, - on émet par lesdits moyens de contrôle de l'instrumentation des signaux optiques, - on reçoit des signaux réfléchis par lesdits capteurs, - on identifie la provenance desdits signaux réfléchis, - on analyse t'information fournie par lesdits capteurs par l'intermédiaire desdits signaux réfléchis. 5. Méthode selon la revendication 4, dans laquelle on identifie la provenance des signaux réfléchis en fonction de la connaissance de la géométrie du dispositif et du "temps de vol" des signaux.