Brevet FR3146991A1 — publié le 20240927

La présente invention concerne un capteur à fibre optique comportant une fibre optique en silice nue et un connecteur pour le montage sur la paroi délimitant la zone d’intérêt. Caractérisé en ce que ladite fibre optique est dénudée sur la partie s’étendant entre l’extrémité distale du cœur en silice (1) et ledit connecteur et en ce que le ladite fibre est liée audit connecteur par un scellement (23) céramique entre le revêtement métallique et la surface intérieur d’un canal de passage dans ledit connecteur. Figure de l’abrégé : Figure 1 Capteurs à fibres optiques pour environnements sévères haute température haute pression Domaine technique de l’invention La présente invention concerne le domaine des capteurs à fibres optiques pour la détection de position, d'objet ou de rayonnement UV-VIS-IR dans des environnements sévères à hautes températures ou à hautes pressions, tels que les moteurs d'avions, les réacteurs, les moteurs thermiques, les chaudières, les fours et les bancs d'essais thermiques. Les capteurs à fibre optique peuvent être utilisés pour mesurer les variations de température dans des environnements sévères et peuvent être conçus pour résister à des températures élevées et à des pressions élevées. L’invention concerne spécifiquement un capteur destiné à fonctionner dans des environnements extrêmes haute température 1000°C et/ou haute pression 500 bars. Ce type de capteur utilise une fibre dont l’extrémité distale (celle qui est du côté de la zone d’intérêt) reçoit une information lumineuse, par exemple une réflexion optique. Ces capteurs mettent typiquement en œuvre une fibre de transmission et une fibre de réflexion ainsi qu'un moyen pour réfléchir le signal au point de déplacement. Ces capteurs détectent les mouvements ou une position, elles présentent l’avantage d’être insensibles aux interférences électromagnétiques et sont à la fois mécaniquement et thermiquement robustes. De tels capteurs utilisent dans l’art antérieurs différents types de fibres : Des fibres optiques à base de silice résistantes à la chaleur et pouvant être utilisées dans des environnements à des températures élevées. Des fibres optiques à haute température spécialement conçues pour résister à des températures extrêmement élevées. Elles sont souvent fabriquées à partir de matériaux tels que la silice dopée au bore ou la silice dopée au germanium. Des fibres optiques en verre de protection : Les fibres optiques en verre de protection peuvent être utilisées pour protéger les fibres optiques contre les conditions extrêmes telles que la chaleur, la pression et les rayonnements UV. Certains capteurs à fibre optique utilisent des fibres optiques coudées pour diriger la lumière vers des angles difficiles d'accès. Elles sont souvent utilisées dans des applications telles que la détection de position et de rayonnement. État de la technique Sur le marché de la détection optique, il existe une multitude de capteurs ou détecteurs à fibres optiques fonctionnants dans des milieux faiblement contraignant (ambiant), mais très peu pour des milieux sévères ou extrêmes. Afin de s’affranchir de cette difficulté, l’utilisation de tubes métalliques avec saphir au bout des fibres optiques en guise de hublot protecteur est nécessaire et coûteuse. S’ajoute à cela la dégradation du contraste des mesures (Input/Output) provoqué par le mélange des deux ondes (aller/retour) dans le saphir. On connaît dans l’état de la technique le brevet US9810557B2 décrivant des solutions de capteurs à fibres optiques basés sur des fibres optiques multiconducteurs destinés à être utilisés pour la détection en environnement difficile. Cette fibre multicore comprend un arrangement de cœurs couplés optiquement dans un fond de silice. Les capteurs sont fabriqués en épissant une section de fibre multicore entre deux fibres monomodes. Ce brevet propose des fibres comportant une gaine en silice solide dans lequel chacun des au moins sept cœurs optiques du MCF sont des cœurs dopés au Ge noyés dans une gaine en silice solide. Le brevet US6612752 décrit système de protection pour les composants optiques, comprenant un conteneur, au moins un composant optique fixé à l'intérieur dudit conteneur, une longueur de fibre optique qui a un revêtement plastique et qui est connectée audit au moins un composant optique, et, une traversée optique pour ladite longueur de fibre, placée dans un trou de traversée dans une paroi dudit conteneur et fixée hermétiquement dans celui-ci, ladite traversée optique comprenant un corps allongé qui a un trou de traversée longitudinal dans lequel ladite fibre optique peut être placée, et, une partie de ladite longueur de fibre étant dépouillée dudit revêtement, dans lequel ladite partie de fibre qui est dépouillée du revêtement est soudée à une extrémité dudit corps allongé au moyen d'une soudure métallique, une telle soudure dans une partie de surface autour de ladite partie de fibre étant revêtue d'une couche d'un agent d'étanchéité polymère pour fournir un contact entre ladite soudure et ledit agent d'étanchéité polymère. Le brevet US 5,177,806, qui concerne une traversée optique dans laquelle la fibre, débarrassée de la couche protectrice d'acrylate, est soudée dans un tube au moyen de poudre de verre (« glass solder »). En particulier, ce brevet décrit une traversée optique dans laquelle une fibre est maintenue en position fixe dans un manchon métallique, tandis qu'une poudre de verre est portée à haute température puis refroidie pour former une soudure à l'intérieur de ce manchon sur la fibre nue. La demande de brevet EP1145062A2 concerne un système de protection pour composants optiques, qui comporte un contenant au moins un composant optique fixé à l'intérieur dudit contenant et une longueur de fibre optique pourvue d’un revêtement plastique et connecté audit composant optique. Une traversée optique pour ladite section de fibre est placée dans un trou de traversée d'une paroi dudit contenant et y est hermétiquement fixée, ladite traversée optique comportant un corps allongé présentant un trou de traversée longitudinal dans lequel on peut placer ladite fibre optique et une partie de ladite longueur de fibre dénudée dudit revêtement. Cette partie de fibre dénudée de revêtement est soudée à une extrémité dudit corps allongé à l'aide d'une brasure métallique et ce brasage est recouvert, à la partie de surface entourant ladite partie de fibre d'une couche de produit d'étanchéité polymère. Le brevet US5126558A décrit un capteur de déplacement mettant en œuvre une fibre optique revêtue de métal (cuivre ou aluminium). Ce capteur est formé par un moyen de pression à fibre optique qui comprend : (a) au moins une fibre optique capable de fournir une atténuation optique en réponse à une micro-courbure de ladite fibre optique, ladite fibre optique ayant une partie d'entrée, une partie de sortie et une partie en boucle couplée d'un côté audit tampon de pression et du côté opposé à une structure de support ; (b) un moyen de tampon de pression pour mesurer la pression appliquée à un tampon de pression dans lequel ledit tampon est situé de manière adjacente audit élément et est mobile latéralement en réponse à la pression ; (c) des moyens de source de signaux couplés à la partie d'entrée de la fibre optique du type « verre revêtu de métal » pour introduire un signal optique ; (d) des moyens de détection couplés à l'extrémité de sortie de la fibre optique pour mesurer le signal optique à l'extrémité de sortie de ladite fibre optique ; et (e) des moyens pour déterminer la modulation dudit signal optique entre la partie d'entrée et la partie de sortie de ladite fibre optique pour fournir une mesure du mouvement latéral dudit coussin de pression en réponse à ladite pression. Le brevet US6978074B2 décrit un capteur pour détecter des occurrences de retour de flamme dans un système de chambre de combustion à prémélange ayant au moins une buse de combustible comprend au moins un photodétecteur et au moins un élément à fibre optique couplé entre le au moins un photodétecteur et une région de test du système de chambre de combustion dans laquelle une flamme respective du la buse de carburant n'est pas présente dans des conditions de fonctionnement normales. Un processeur de signal surveille un signal du photodétecteur. L'élément à fibre optique peut comprendre au moins une fibre optique positionnée à l'intérieur d'un tube de protection. L'élément à fibre optique peut comprendre deux éléments à fibre optique couplés à la région de test. La fibre optique et le tube de protection peuvent avoir des longueurs suffisantes pour situer le photodétecteur à l'extérieur d'un compartiment moteur. Une pluralité d'injecteurs de carburant et une pluralité d'éléments à fibres optiques peuvent être utilisés, les éléments à fibres optiques étant couplés aux injecteurs de carburant respectifs et soit au photodétecteur soit, dans lequel une pluralité de photodétecteurs sont utilisés, à ceux respectifs de la pluralité de photodétecteurs. Ce brevet propose notamment l’utilisation de fibres optique en silice recouvert de métal qui peuvent supporter des températures de l’ordre de 700 °C. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur ne sont pas satisfaisantes car elles ne permettent pas des utilisations avec des contraintes sévères de hautes température et/ou pression, typiquement de haute température jusqu’à 1000 °C, fibre optique coudée haute pression jusqu’à 500 bars. Les fibres optiques en silice nues (sans revêtement polymère ou métallique) sont très sensibles aux sollicitations mécaniques. Les solutions mettant en œuvre des fibres revêtues de métal ne sont pas non plus satisfaisantes car le taux de dilatation du métal (aluminium ou cuivre) est très supérieur à celui de la silice, ce qui provoque des différentiels d’allongement par dilatation thermique entre le cœur en silice et la gaine métallique tels que l’extrémité de la fibre importante endommageant la partie distale de la fibre. Par ailleurs, les gainages en cuivre se dégradent par un phénomène d’oxydation au contact de l’oxygène de l’air lorsque l’extrémité distale de la sonde est soumise à des températures élevées. La présente invention vise à répondre à ces inconvénients. A cet effet l’invention concerne selon sa portée la plus générale un capteur à fibre optique apte à fonctionner dans des environnements extrêmes haute température supérieure ou égale à 1000°C et haute pression supérieure ou égale 500 bars comportant une fibre optique en silice nue et un connecteur pour le montage sur la paroi délimitant la zone d’intérêt caractérisé en ce que ladite fibre optique est dénudée sur la partie s’étendant entre l’extrémité distale du cœur en silice et ledit connecteur et en ce que le ladite fibre est liée audit connecteur par un scellement céramique entre le revêtement métallique et la surface intérieur d’un canal de passage dans ledit connecteur. L’objet de la présente invention peut également revêtir l’une ou une combinaison compatible des caractéristiques suivantes : ledit scellement s’étend sur une longueur comprise entre 10 et 100 millimètres ladite fibre présente une zone de pliage ladite zone de pliage (5) forme un angle compris entre 30° à 170° avec un rayon de courbure inférieur à 2,5 millimètres pour une fibre présentant un cœur d’un diamètre supérieur à 0,6 millimètres le capteur comporte un faisceau de fibres optiques il comporte une fibre optique nue de cœur Silice dans un capillaire en Silice. Description d’exemple non limitatifs de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : La représente une vue en perspective de l’extrémité d’une fibre optique de cœur Silice avec son revêtement La représente une vue schématique d’une première variante d’un capteur ou détecteur à mono-fibre optique La représente une vue schématique en perspective d’une deuxième variante d’un capteur ou détecteur à mono-fibre optique de type coudé La représente une coupe mécanique en coupe d’une deuxième variante d’un capteur ou détecteur à mono-fibre optique de type coudé La représente une vue schématique d’une troisième variante d’un capteur ou détecteur à faisceau de fibres optiques de type coudé La représente une vue schématique d’une quatrième variante d’un capteur ou détecteur à faisceau de fibres optiques de type coudé. La représente une vue schématique d’une cinquième variante d’un capteur ou détecteur à mono-fibre optique dans un capillaire en Silice. Principe général dE l’invention L’invention concerne une solution pour la détection de position ou d’objet ou de rayonnement, à base de fibres optiques en silice -seules ou dans un capillaire - droites ou coudées, dans un environnement sévère sous haute température jusqu’à 1000°C et/ou haute pression jusqu’à 500 bars, environnements incompatibles avec des utilisateurs ou de l’instrumentation. Le principe de l’invention consiste à réaliser un capteur avec une fibre optique avec un cœur en silice, dont l’extrémité distale est dénudée, de son revêtement en polymère ou métallique, pour ne conserver que le cœur en silice sur une longueur s’étendant depuis l’extrémité frontale de la fibre optique jusqu’au connecteur pour le montage sur l’enveloppe de la zone d’intérêt. La fibre optique est liée au connecteur par un scellement (23) par une poudre ou une pâte céramique, notamment en Zircone, qui permet de créer un lien entre la fibre optique et le connecteur avec un faible coefficient de dilatation, et une tenue jusqu’à une température de l’ordre de 1400 °C. Cette liaison entre la fibre optique (1) et le connecteur par un scellement (23) céramique s’étend sur une longueur 10 à 100 mm. La plage de transmission s'étend de 220 à 2400 nm selon le choix du cœur de fibre de silice UV-VIS ou VIS-NIR. La plage de température de travail est de -273°C à 1000°C ; humidité - jusqu'à 100%. L’invention propose un capteur comportant une fibre optique nue en silice. La variante illustrée par la correspond à une variante mono-fibre où la lumière est transmise par la fibre (1) pour éclairer la zone d’intérêt (4) et la lumière réfléchie ou diffusée est renvoyée vers un photomètre par la même fibre optique (1). La variante illustrée par la correspond à une variante coudée, comportant un tube longitudinal (6) débouchant dans un manchon cylindrique (7) dont l’axe est incliné, dans l’exemple décrit de 90°, par rapport à l’axe du tube longitudinal (6). La fibre optique (1) présente une zone de pliage (5). La variante illustrée par la correspond à une variante basée sur un faisceau de fibres (11 à 14) permettant d’affecter la fibre centrale à l’émission d’un rayonnement lumineux en direction de la zone d’intérêt, et les fibres périphériques à la transmission du rayonnement réfléchi ou diffusé par l’objet (4). La variante illustrée par la correspond à une variante basée sur un faisceau de fibres (11 à 14) permettant d’affecter une ou plusieurs des fibres à l’émission d’un rayonnement lumineux en direction de la zone d’intérêt, et une ou plusieurs fibres à la transmission du rayonnement réfléchi ou diffusé par l’objet (4), dans une configuration coudée avec une zone de pliage (5). Selon une autre variante, le capteur constitué d’une fibre optique multimode avec un cœur présentant un diamètre de plus de 0,4 mm, introduite dans un capillaire en forme de tube épais (diamètre interne 2 ). L’ensemble peut être droit ou coudé. La surface externe de la fibre optique (1) est maintenue à la paroi interne du capillaire (3) par collage céramique ou fusion entre fibre et tube silice. Dans cette configuration, la lumière est émise par le cœur de la fibre et la lumière réfléchie est captée par le capillaire. L’indice de réfraction du capillaire est proche de celui du cœur de la fibre et plus élevé que celui du gainage. Ce dernier est la couche tampon entre le cœur et le capillaire et joue le rôle d’isolant optique. De ce fait, les ondes lumineuses sont forcées, suivant la loi Snell-Descartes, à se propager soit dans le cœur, soit dans le capillaire, sans interférer. Cela va améliorer grandement le contraste des mesures. La courbure éventuelle de ces fibres optiques est réalisée par effet thermique avec un très faible rayon de courbure RC de 3 mm (pour une version fibre de 0,6 mm de cœur), rayon bien inférieur au rayon de courbure préconisé par le fabricant de la fibre et donc bien plus intéressant pour les zones très confinées. Les capteurs ou détecteurs de fibres optiques/capillaire droits ou coudés sont positionnés et maintenus dans un environnement haute température ou haute pression. Ils permettent d’atteindre des endroits étroits et difficiles d’accès selon les longueurs de fibres utilisées. Ces fibres peuvent passer les parois confinant les environnements par des traversées étanches spécifiques pour être connectées à des équipements d’émission et de mesure, à l’extérieur dans des environnements compatibles utilisateurs ou instrumentation. Ensemble optique : fibre optique/capillaire Silice La fibre optique multimode (cœur > 0,4 mm plus revêtement) introduite dans un capillaire (diamètre interne Méthode de « pliage » de la fibre : La fibre optique ou le bundle de fibres optiques en silice (multimode) sont courbés par effet thermique. Le revêtement mécanique de la fibre est retiré dans la zone de fusion (environ 1700°C) sur laquelle est exerçé le cintrage thermique. Nous pouvons ainsi obtenir un coude de 90° (ou une courbure d’angle de 30° à 170°) sur une fibre > 600 µm de diamètre avec un très faible rayon de courbure RC À aucun moment, il n’y a rupture de guidage optique. Le dispositif obtenu est donc parfaitement stable, insensible aux vibrations et compatible avec de très hautes températures (jusqu’à 1000°C). La perte de transmission optique générée par cette action est de l’ordre de 20 % pour un coude de 90°. Capteur à fibre optique apte à fonctionner dans des environnements extrêmes haute température supérieure ou égale à 1000°C et/ou haute pression supérieure ou égale 500 bars comportant une fibre optique en silice nue et un connecteur pour le montage sur la paroi délimitant la zone d’intérêt caractérisé en ce que ladite fibre optique est dénudée sur la partie s’étendant entre l’extrémité distale du cœur en silice (1) et ledit connecteur et en ce que le ladite fibre est liée audit connecteur par un scellement (23) céramique entre le revêtement métallique et la surface intérieur d’un canal de passage dans ledit connecteur. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit scellement (23) s’étend sur une longueur comprise entre 10 et 100 millimètres. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite fibre présente une zone de pliage (5). Capteur à fibre optique selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite zone de pliage (5) forme un angle compris entre 30° à 170° avec un rayon de courbure inférieur à 2,5 millimètres pour une fibre présentant un cœur (1) d’un diamètre supérieur à 0,6 millimètres. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte un faisceau de fibres optiques. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte une fibre optique nue de cœur Silice dans un capillaire en Silice.