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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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2. Quelques configurations de capteurs de gaz à fibres optiques
2.1 Capteurs extrinsèques : principe de fonctionnement
Dans le cas des capteurs optiques extrinsèques, la fibre optique n'est utilisée que pour transmettre la lumière en provenance et à destination de l'élément de détection, comme illustré à la figure 2. Cet élément est le plus souvent une enceinte dans laquelle est injecté le gaz à mesurer. Les dimensions de l’enceinte sont choisies de telle façon que la lumière sortant de la fibre d’entrée puisse se recombiner, avec une atténuation modérée, dans la fibre de sortie. Elles sont donc le plus souvent centimétriques. Par ailleurs, un jeu de lentilles est généralement utilisé pour assurer un bon couplage de lumière. La longueur d’onde de travail est celle qui correspond à une bande d’absorption du gaz à détecter, de sorte que celui-ci affecte la puissance optique transmise. Cette configuration, très peu avantageuse, ne fait plus l’objet de recherches soutenues de nos jours.
HAUT DE PAGE2.2 Capteurs intrinsèques : principes de fonctionnement
Par opposition aux capteurs extrinsèques, les capteurs intrinsèques désignent ceux pour lesquels la fibre optique constitue elle-même l'élément de détection. Ils permettent donc de profiter au mieux des avantages des fibres optiques. Ce paragraphe s’attarde sur quatre configurations de capteurs de gaz intrinsèques.
HAUT DE PAGE2.2.1 Capteurs à onde évanescente
Ces capteurs exploitent une méthode de modulation d'intensité basée sur l'interaction directe entre le gaz à détecter et l'onde électromagnétique véhiculée dans le cœur de la fibre optique. Bien qu’une fibre optique guide l’onde lumineuse au sein de son cœur (cf. figure 1), une partie de la lumière franchit cette interface et pénètre plus ou moins loin dans la gaine optique. Cette partie du champ électromagnétique...
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Quelques configurations de capteurs de gaz à fibres optiques
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).
-
(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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