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RÉSUMÉ
Les capteurs à fibres optiques présentent de nombreux atouts pour la détection de fuite de gaz en milieux confinés ou le long de sites de transport et de stockage. Ils sont obtenus par l'association d'une fibre optique avec un matériau sensible qui induit un changement physique sur la fibre par adsorption du gaz à mesurer. Cet article résume les principes physiques des principales configurations de capteurs à fibres optiques, et s'attarde ensuite sur des réalisations concrètes comme la détection d'hydrogène, d'oxygène, de méthane ou de dioxyde de carbone.
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Christophe CAUCHETEUR : Docteur en sciences de l’ingénieur - Chercheur qualifié du F.R.S. – FNRS à la Faculté Polytechnique de l’université de Mons
INTRODUCTION
Notre société est de plus en plus demandeuse d’instruments de mesure et de contrôle de tous types, que ce soit pour la sécurité, le confort ou le contrôle de la qualité de produits.
Les risques liés à la production, au stockage et au transport de gaz constituent une problématique très répandue qui présente un impact direct non seulement sur l’environnement mais également sur la santé. Ainsi, convient-il de protéger les sites gaziers par des capteurs de gaz dans le but de prévenir tout risque d’explosion ou d’exposition à des effluents nocifs qui pourrait survenir lors d’une fuite accidentelle. Pour ce faire, les systèmes de mesures rencontrés dans la pratique, comme les capteurs électrochimiques, les pellistors, ou encore les capteurs optiques par absorption infrarouge ou ultraviolette, sont le plus souvent encombrants, complexes ou énergivores, car ils requièrent un câblage électrique souvent difficile à mettre en place. Ils sont donc mal adaptés pour les mesures dans de grands espaces clos (vastes sites industriels, tunnels routiers, parking souterrains…) ou le long des gazoducs qui sont, eux, dépourvus de protection à l’heure actuelle. Pour ces applications, les capteurs à fibres optiques présentent un potentiel sans équivalent pour les autres technologies.
Ces capteurs possèdent les avantages inhérents à l’emploi des fibres optiques. Parmi ceux-ci, les plus décisifs pour la détection de gaz sont leur immunité aux interférences électromagnétiques, leur résistance aux hautes températures et à la corrosion chimique ainsi que leur possibilité d’adresser simultanément de nombreux points de mesure. Cependant, une fibre optique n’est pas intrinsèquement sensible et sélective à un gaz. Dans la pratique, il convient donc d’associer à la fibre optique une couche sensible sur laquelle la gaz va s’adsorber et provoquer un changement physique (modification de température, changement de pression, génération d’une contrainte mécanique, variation de densité) mesurable par la fibre optique. Bien sûr, cette couche sensible doit remplir un certain nombre de conditions pour conférer au capteur global (fibre optique + couche sensible) un fonctionnement correct. C’est principalement dans cette association entre un matériau sensible adéquat et la fibre optique que réside toute la finesse des capteurs de gaz à fibres optiques.
Ce dossier a pour objectif de présenter les principes physiques des principales configurations de capteurs de gaz à fibres optiques et de s’étendre ensuite sur des applications concrètes comme la détection d’hydrogène, d’oxygène, de méthane ou encore de dioxyde de carbone.
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Quelques configurations de capteurs de gaz à fibres optiques
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1. Généralités
Une fibre optique est un guide d’onde de lumière constitué de deux couches concentriques cylindriques appelées le « cœur » et la « gaine optique ». Bien que les fibres optiques puissent être réalisées en polymère (le plus souvent en polyméthacrylate de méthyle ou PMMA), ce dossier se focalise uniquement sur les fibres à base de silice. Pour ces dernières, le cœur est généralement dopé avec de l’oxyde de germanium dans le but d’accroître son indice de réfraction par rapport à celui de la gaine optique, qui est constituée de silice pure. Par ce moyen, la lumière est véhiculée dans le cœur par le mécanisme de réflexions internes totales à l’interface cœur-gaine (cf. figure 1 pour une illustration de ce mécanisme). En toute rigueur, ceci n’est valable que lorsque les dimensions du cœur sont beaucoup plus grandes que la longueur d’onde de la lumière véhiculée, soit lorsque la fibre optique est multimode à saut d’indice. Dans le cas contraire, c’est l’approche électromagnétique par les équations de Maxwell qui fait foi pour modéliser le couplage de lumière. Une fibre optique est dite « monomode »/« multimode » selon qu’elle propage la lumière dans le cœur via un/plusieurs modes optiques. Cette caractéristique est liée aux dimensions du cœur ainsi qu’à la longueur d’onde utilisée pour la lumière véhiculée par la fibre optique. Un diamètre de cœur limité à 5-8 microns entraîne une propagation monomode de la lumière pour des longueurs d’onde généralement supérieures à 1 µm. Au-delà, la propagation est multimodale. Dans les deux cas, la gaine optique possède un diamètre externe de 125 microns. Le cœur et la gaine optique sont généralement entourés d’une couche protectrice en polyacrylate de 250 microns de diamètre dans le but de conférer à l’ensemble une bonne tenue mécanique.
Pour les télécommunications par fibres optiques, les longueurs d’onde de travail privilégiées avoisinent les 1,3 µm et 1,5 µm. Pour la seconde fenêtre centrée autour de 1,5 µm, les fibres optiques monomodes présentent le minimum d’atténuation de puissance lumineuse, à savoir 0,2 dB/km.
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Généralités
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - YU (F.T.S.), YIN (S.), YU (Y.T.S.) - Fiber Optic Sensors - Marcel Dekker Inc. USA (2002).
-
(2) - CAO (W.), DUAN (Y.) - Optical fiber-based evanescent ammonia sensor - Sensors and Actuators B 110, 252-259 (2005).
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(3) - THOMPSON (R.) - Fluorescence-based fiber-optic sensors - Springer – Topics in Fluorescence Spectroscopy 2, 345-365 (2002).
-
(4) - OTHONOS (A.), KALLI (K.) - Fiber Bragg gratings : fundamentals and applications in telecommunications and sensing - Artech House. Norwood, USA (1999).
-
(5) - MEUNIER (J.P.) - Physique et technologie des fibres optiques - Traité EGEM, série Optoélectronique, Hermès Science Publication, Paris (2003).
-
(6) - CHEN (C.H.), TSAO (T.C.), TANG (J.L.), WU (W.T.) - A multi-D-shaped optical fiber for refractive index sensing - Sensors 10,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Site Internet de Newport pour les fibres à cristaux photoniques :
http://www.newport.com/Fibre-à-cristal-photonique/834181/1036/info.aspx
Site Internet de OceanOptics pour les capteurs d’oxygène à fibres optiques :
http://www.oceanoptics.com/products/sensortheory.asp
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Petrosense :
Presens :
Ocean Optics :
Golden Scientific :
https://www.tradeindia.com/Seller-2240752-Golden-Scientific-Industries/
Yellow Spargs :
Wavelength References :
http://www.wavelengthreferences.com
...
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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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