Thermomètres à fibre optique - Procédés de mesure

Les capteurs de température, toutes technologies confondues, constituent très certainement la classe de capteurs la plus étudiée, et donc la plus largement disponible sur le marché. Cela vient du fait que la température est, avec la pression, l’un des deux paramètres les plus dignes d’intérêt dans de très nombreux secteurs applicatifs, en particulier industriels. Il en va donc bien entendu de même des capteurs à fibre optique (CFO) dédiés à la mesure des températures, depuis que ce domaine a pris son essor dans les années 1980. Par ailleurs, un grand nombre de phénomènes physiques où intervient la température ont été mis en évidence au cours des deux siècles précédents et sont donc utilisables en instrumentation optique, certains étant bien entendu mieux adaptés que d’autres suivant l’application considérée. Cela explique également l’engouement des chercheurs pour ce paramètre, et par conséquent l’offre relativement complète de ce type d’instruments optiques.

Au niveau commercial, la principale technique disponible à ce jour est très certainement la pyrométrie, qui offre la possibilité d’une mesure à distance et sans contact, deux avantages bien connus de l’optique en général. Cependant, bien que surtout performante pour les hautes températures, la pyrométrie n’est pas nécessairement la panacée de toute mesure de température, et des fonctionnalités nouvelles apportées par les fibres optiques, tels les capteurs continûment sensibles fournissant directement un profil thermique, peuvent lui être préférées. La prédominance commerciale de la pyrométrie à fibre optique tient certainement au fait que les fabricants de pyromètres, relativement nombreux au niveau mondial, ont perçu assez tôt l’avènement des fibres optiques comme une opportunité pour, d’une part, déporter sans grande difficulté (mais non sans conséquence) les détecteurs IR intégrés dans leurs instruments et pour, d’autre part, bien que de façon moindre, mettre au point des systèmes de multiplexage de plusieurs points de mesure. Cette dernière approche, apparue dès le milieu des années 1980 au sein de la communauté scientifique, sous la notion plus générale de réseau de CFO (ou RCFO), permet de multiplexer/démultiplexer un certain nombre de capteurs connectés à un système de mesure unique, et donc de réduire le coût rapporté à chaque point de mesure, par la mise en commun de la partie la plus onéreuse de l’appareillage [1] [2].

Au-delà des mesures de type pyrométrique, sans contact, pour lesquelles la fibre optique ne joue finalement qu’un rôle de canal de transmission (de déport) du flux infrarouge (ou tout au moins d’une partie de celui-ci), de nombreux autres principes optiques ont également été mis en œuvre pour réaliser des mesures de température, cette fois avec contact, et ce depuis le début des années 1980, période pendant laquelle le domaine des CFO est devenu une activité à part entière. Comme toujours, certains principes n’ont pas vraiment réussi à franchir la porte des laboratoires, mais d’autres sont parvenus à l’état de prototypes industriels, de sorte que de nos jours, une dizaine de principes font l’objet de produits commercialisés.

Les CFO de température avec contact peuvent être classés suivant deux grandes catégories, suivant qu’ils sont de type « intrinsèque » (la fibre joue le rôle d’élément transducteur de par ses propriétés) ou de type « extrinsèque » (la fibre joue uniquement le rôle de canal de transport de l’information de mesure, un transducteur hybride de très petite taille étant par exemple fixé à son extrémité) [3]. La première catégorie regroupe principalement les capteurs répartis (continûment sensibles) fondés sur l’effet Raman, voire sur l’effet Brillouin, et d’autre part les capteurs distribués (localement sensibles) à réseaux de Bragg photo-inscrits au sein même du cœur des fibres. La seconde catégorie, celle des capteurs extrinsèques, regroupe plusieurs procédés fondés sur la connexion de microtransducteurs à la fibre. Qu’il s’agisse d’un semi-conducteur, d’une cavité interférométrique de type Fabry-Perot ou d’un composé phosphorescent, chacun d’eux a pour fonction de faire évoluer l’un des paramètres de l’onde optique guidée (intensité, spectre, phase, etc.) en fonction de la température, la mesure de l’évolution de ce paramètre optique permettant de remonter aux variations thermiques inductrices.

Les plages de température couvertes par toutes ces techniques sont vastes. Elles s’étendent du domaine cryogénique aux très hautes températures (quelques milliers de degrés Celsius). Quant aux résolutions thermiques obtenues, elles vont du dixième de degré à quelques degrés suivant le cas, mais il faut savoir que certains procédés de mesure développés par un petit nombre d’instituts ou d’universités atteignent presque le millikelvin en terme de résolution.

Les efforts consentis par les pays industrialisés dans le domaine des CFO de température sont très inégaux. Les États-Unis sont, comme souvent en sciences et technologies de pointe, les plus actifs dans le domaine des CFO, de température en particulier, et la moitié des produits commercialisés de nos jours sont d’origine outre-Atlantique. Le Royaume-Uni a lui aussi, et depuis longtemps, investi dans l’optique au niveau recherche & développement, de nombreux instituts de recherche, universités, associations et PME étant présents dans ce domaine. Ce n’est donc pas un hasard si l’un des systèmes de mesure de température les plus remarquables, à savoir le capteur réparti DTS Raman (« distributed temperature sensor », capteur réparti de température) fut mis au point à partir du milieu des années 1980 par la PME britannique York Sensors (société acquise en 2001 par le groupe parapétrolier Schlumberger). A contrario, au Japon, ces produits ainsi que d’autres CFO, initialement demandés par l’industrie de production d’électricité, semblent n’avoir été développés que par de grands groupes industriels comme Hitachi ou Sumitomo. Les pays européens autres que le Royaume-Uni, très tôt impliqués dans la R&D, sont désormais quasi absents du domaine, tout au moins au niveau industriel.

Depuis les années 1990, l’émergence des capteurs à réseaux de Bragg, compte tenu des avantages et des performances offerts par cette nouvelle technologie de mesure, a largement relancé la compétition internationale en instrumentation à fibre optique [4] [R 6 735]. Pour preuve, la part de communications ayant trait à ce type de capteur lors de la conférence internationale Optical Fiber Sensor (OFS) atteignant 60 % en 2000, contre seulement 40 % en 1997. De ce fait, un certain nombre de produits abordent le marché depuis peu, naturellement toujours sous une large domination anglo-saxonne (États-Unis, Canada, Royaume-Uni, Allemagne), la France ne jouant qu’un rôle de second plan compte tenu de la faiblesse chronique des investissements qui y sont consentis en R&D. Les applications sont désormais variées, et allant de pair, la pénétration des CFO de température dans l’industrie est en constante croissance.

Les méthodes pyrométriques, sans contact, sont présentées dans l’article suivant Thermomètres à fibre optique sans contact : pyromètres. Les méthodes avec contact font, elles, l’objet de l’article Thermomètres à fibre optique avec contact. Tous ces thermomètres sont comparés dans Thermomètres à fibre optique, véritable outil de sélection.