FR2613832A1 - Procede et appareil de mesure de temperature par fibres optiques - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE DE MESURE DE TEMPERATURE A L'AIDE DE FIBRES OPTIQUES, MET EN OEUVRE DE LA LUMIERE EMPLOYEE COMME PORTEUSE D'UN SIGNAL DE MESURE, GENEREE PAR UNE SOURCE LUMINEUSE 10 AYANT UNE LONGUEUR D'ONDE D'EMISSION INFERIEURE A LA LONGUEUR D'ONDE DU SEUIL D'ABSORPTION D'UN ELEMENT SENSIBLE A LA TEMPERATURE, CONSTITUE D'UN SEMI-CONDUCTEUR MONO OU POLYCRISTALLIN AYANT UN ECART ENERGETIQUE DE TRANSITION INDIRECTE, ET PLACE EN UN POINT DE MESURE. LA LUMIERE PORTEUSE DU SIGNAL DE MESURE EST GUIDEE PAR UNE PREMIERE FIBRE OPTIQUE 12 VERS L'ELEMENT SENSIBLE A LA TEMPERATURE. LA LUMIERE TRAVERSANT CET ELEMENT EST GUIDEE PAR UNE SECONDE FIBRE OPTIQUE 16 VERS UN DETECTEUR 18 AFIN DE DETERMINER LA TEMPERATURE. DANS L'APPAREIL METTANT EN OEUVRE CE PROCEDE, DES ELEMENTS DE FILTRAGE 14 SONT MONTES ENTRE LA SOURCE LUMINEUSE 10 ET L'ELEMENT SENSIBLE A LA TEMPERATURE AFIN D'ELIMINER PAR FILTRAGE LES LONGUEURS D'ONDE INDESIRABLES. UTILISATION EN MESURE DE TEMPERATURE, EN PARTICULIER DANS DES EMPLACEMENTS SOUMIS A DES CHAMPS ELECTRIQUES OU MAGNETIQUES TRES PUISSANTS OU DES RISQUES D'EXPLOSION ET DANS DES PROCESSUS INDUSTRIELS PRESENTANT DES GRADIENTS DE TEMPERATURE TRES ELEVES.

Description

La présente invention concerne un procédé de mesure de température par

fibres optiques dans lequel la lumière employée comme porteuse d'un signal de mesure est générée par une source lumineuse, est guidée par une première fibre optique vers un élément sensible à la température placé en un point de mesure, et dans lequel la lumière traversant l'élément sensible à la température est guidée par une seconde fibre optique

vers un détecteur afin de déterminer la température.

L'invention concerne en outre un appareil de

mise en oeuvre du procédé.

Il existe plusieurs applications exigeant un

procédé de mesure de température qui ne soit pas élec-

trique. Parmi celles-ci, par exemple, certaines mesures

médicales et certaines mesures de température effec-

tuées dans des emplacements soumis à des risques d'explosion ou se trouvant sous l'influence de champs électriquesou magnétiquestrès puissants. Les procédés

de mesure optique et, en particulier, par fibres opti-

ques apportent une solution à ces exigences. Grâce à la technologie des fibres optiques, il est possible de concevoir des capteurs de température qui soient

extrêmement petits et très fiables.

Certains processus industriels impliquent la mesure de températures très élevées, mais en même temps les transducteurs utilisés doivent être capables de mesurer des températures basses pour retrouver des informations au cas o le processus est en cours d'arrêt

ou de démarrage.

Plusieurs procédés différents de mesure des températures basés sur la technologie des fibres opti-

ques sont déjà connus dans la technique antérieure.

Cependant, presque invariablement ces procédés n'ont pas la possibilité de mesurer simultanément des températures élevées et des températures faibles en employant un unique transducteur. Une façon d'éliminer ce défaut consiste à utiliser la variation des caractéristiques d'absorption dans les semi-conducteurs en fonction de

la température. Un tel procédé basé sur des semi-

conducteurs ayant un écart énergétique de transition directe est décrit dans le descriptif de la demande de brevet PCT WO 8201588. Cependant, le front de la bande d'absorption des semi-conducteurs de transition directe est très raide, ce qui entraîne une forte dépendance de la gamme de températures que l'on peut mesurer par rapport à la largeur du spectre et à la longueur d'onde

de la source lumineuse employée.

Le descriptif du brevet américain 4 376 890

décrit un détecteur de température basé sur les carac-

téristiques de fluorescence de semi-conducteurs composés.

L'inconvénient de ce dispositif est que l'excitation du matériau fluorescent nécessite une source lumineuse fonctionnant dans la gamme de l'ultraviolet et empêche donc l'utilisation de longues fibres optiques en

raison de la très forte atténuation qui en résulterait.

Le but de la présente invention est de résou-

dre les inconvénients de la technique antérieure et d'obtenir un procédé et un appareil de mesure de température par fibres optiques de type complètement nouveau. L'invention est basée sur l'emploi d'un élément

smi-conducteur d'un matériau à écart énergétique indi-

rect comme élément sensible à la température, fixé en

permanence sur une plaque de verre et conduisant avan-

tageusement à une courbe d'absorption à affaiblisse-

ment progressif, associé à l'emploi d'unesource lumi- neuse dont la longueur d'onde est plus courte que la

longueur d'onde du seuil de la courbe d'absorption.

Suivant l'invention, le procédé de-mesure de température à l'aide de fibres optiques est caractérisé par le fait que l'élément sensible à la température employé est un semi-conducteur mono ou polycristallin ayant un écart énergétique de transition indirecte et par le fait que la source lumineuse employée est une source ayant une longueur d'onde d'émission inférieure à la longueur d'onde du seuil d'absorption de l'élément

sensible à la température employé.

De plus, l'appareil selon l'invention est caractérisé par le fait que des éléments de filtrage sont montés entre la source lumineuse et l'élément sensible à la température afin d'éliminer par filtrage

les longueurs d'onde indésirables.

L'invention vise également un appareil pour la mesure de températures à l'aide de fibres optiques, comprenant - au moins une source lumineuse pour générer la lumière à utiliser comme porteuse du signal de mesure; - un élément sensible à la température disposé au point de mesure; - au moins une première fibre optique grâce à laquelle la lumière peut être guidée vers l'élément sensible à la température; et - une seconde fibre optique grâce à laquelle la lumière ayant traversé l'élément sensible à la température peut être guidée vers un détecteur afin de déterminer la température. Suivant l'invention, cet appareil est caractérisé par le fait que - l'élément sensible à la température utilisé est une couche de semi-conducteur mono ou polycristallin avec un écart énergétique de transition indirecte; et - la longueur d'onde de la lumière guidée depuis la source lumineuse jusqu'à l'élément sensible à la température a été adaptée pour être plus courte que la longueur d'onde de seuil de la courbe d'absorption de

l'élément sensible à la température utilisé.

L'invention propose des avantages dominants.

En utilisant une source lumineuse convenable-

ment choisie, il est possible d'atteindre une gamme de

températures de plusieurs centaines de degrés Kelvin.

Le procédé n'est pas particulièrement sensible à la largeur spectrale de la source lumineuse employée, cependant, la longueur d'onde doit être choisie assez soigneusement. La construction du transducteur n'est

pas compliquée et peut être facilement adaptée en pro-

duction. Les sources lumineuses employées peuvent fonc-

tionner dans la gamme du visible ou de l'infrarouge

avec possibilité C'employer des fibres optiques relati-

vement longues.

On va maintenant considérer l'invention plus en détail en se référant aux exemples suivants de modes de

réalisation représentés dans les dessins annexés.

- la figure 1 est un croquis schématique du procédé de mesure selon l'invention; - la figure 2 est un croquis schématique d'un autre procédé de mesure selon l'invention; - la figure 3 est une vue latérale en coupe

transversale représentant la connexion des fibres opti-

ques d'un élément sensible à la température dans un mode de réalisation selon l'invention; - la figure 4 est une vue latérale en coupe transversale d'un transducteur selon l'invention; - la figure 5 est une représentation graphique des caractéristiques physiques du transducteur; la figure 6 est une vue latérale d'une source lumineuse selon l'invention; - la figure 7 est une vue schématique d'une

autre source lumineuse selon l'invention.

Selon la figure 1, la lumière émise par une source lumineuse 10 est guidée au moyen d'une fibre optique 12 vers un transducteur 14. Le transducteur 14 atténue la lumière en fonction de la température de manière que l'atténuation soit une fonction croissante sensiblement linéaire avec la température. La lumière, qui porte l'information de température par son intensité, est guidée au moyen d'une fibre optique 16 vers un détecteur 18 qui transforme le signal en un signal électrique devant être traité ultérieurement de manière classique dans un circuit 20. La longueur d'onde de la source lumineuse 10 est inférieure à la longueur

d'onde du seuil d'absorption optique du matériau semi-

conducteur du transducteur 14.

Selon la figure 2, la lumière est guidée depuis les sources lumineuses i0a et 10b par la fibre optique 12 jusqu'au transducteur 14. La source lumineuse lO0b émet dans une bande de longueurs d'onde pour lesquelles l'élément sensible à la température est également

transparent à toutes les températures mesurées.

Ainsi, le détecteur peut être étalonné en permanence par rapport aux variations des pertes de transmission dans les fibres optiques. La source lumineuse lOa émet de la lumière dans la même bande de longueurs d'onde que la source 10 de la figure 1, en délivrant un signal

fonction de la température de la manière souhaitée.

La lumière émise par les deux sources est guidée après le transducteur 14 par la fibre optique 16 jusqu'au détecteur 18. Les bandes de longueurs d'onde de la lumière émise par les sources 10a et 10b sont séparées temporellement l'une de l'autre. Dans le cas du silicium cristallin (mono ou polycristallin), le front de la courbe d'absorption optique descend à une longueur d'onde de 1,1 Nm (E = 1,1 eV). Ainsi, la source lumineuse délivrant le signal fonction de la

température peut être, par exemple, une diode électro-

luminescente AsGa émettant sur une longueur d'onde de

950 nm; ce type de diodea été employé dans le proto-

type. Le signal de référence peut être généré par une diode AsAlGa fonctionnant par exemple sur une longueur d'onde de 1,3 gm, ce type de diode étant un composant

standard des communications optiques.

Selon la figure 3, la lumière sortant de la fibre optique 12 traverse un élément semi-conducteur 26, qui est fixé en permanence à une plaque de verre 24, et, après avoir traversé la plaque de verre 24, arrive sur une surface réfléchissante28, puis revient par le même trajet. La lumière sortant de la fibre optique 12 s'étale en un cône si bien qu'une partie de la lumière réfléchie est couplée à la fibre optique 16. Puisque les fibres optiques 12 et 16 sont montées immédiatement sur la surface de l'élément semi-conducteur 26, aucune lumière perturbante réfléchie par les surfaces de contact de l'élément semi-conducteur26 n'est couplée à la fibre 16. La surface de l'élément semi-conducteur 26,

peut être recouverte d'une couche anti-réfléchissante.

Le matériau de l'élément semi-conducteur 26 est du type à écart énergétique de transition indirecte comme par

exemple le silicium ou le germanium.

Selon la figure 4, les fibres optiques 12 et 16 sont disposées parallèlement dans un capillaire 30, dont le diamètre extérieur mesure typiquement 1,1 mm environ et le diamètre intérieur environ 0,4 mm. Le capillaire 30 est placé à l'intérieur d'un logement

cylindrique 32 avec un élément sensible à la température 22.

Le diamètre extérieur du logement cylindrique 32 mesure à son extrémité la plus fine environ 1,1 mm et à son extrémité la plus épaisse environ 1, 4 mm avec une longueur totale de 10 mm environ. L'épaisseur de la paroi du logement cylindrique 32 est construite aussi faible que possible. L'autre extrémité du logement cylindrique 32 est fermée par un bouchon 34 dont le diamètre est d'environ 1,4 mm et la longueur d'environ 2 à 3 mm. La dimension de l'élément sensible à la

température 22 est celle d'un cube de 1,0 x 1,0 x 1,0 mm3.

Les fibres sortant du capillaire 30, c'est-à-dire, la fibre d'entrée de la lumière 12 et la fibre de sortie

de la lumière 16, sont supportées par une douille 36.

Le diamètre des fibres est typiquement de l'ordre de

125 à 140 Dm.

Selon la figure 5, le fonctionnement du trans-

ducteur est basé sur le phénomène qui fait qu'un spec-

tre d'absorption 38 du semi-conducteur employé est décalé sur l'échelle énergétique quand la température varie si bien qu'un décalage vers la gauche ou vers la droite correspond respectivement à une température plus élevée ou plus faible. Cependant, la forme du spectre 38 n'est pas considérablement déformée par le décalage dû à la température, il en résulte donc une variation monotone du coefficient d'atténuation exponentiel a

pour une énergie donnée en fonction de la température.

La valeur caractéristique du seuil d'énergie du sili-

cium peut être définie par E0 = 1,3 eV (diode AsGa).

Les valeurs correspondant à la figure sont: pour une température T1 de 330 K environ (température ambiante) le coefficient d'absorption a (T1) est d'environ 1/cm, et à la température T2 de 600 K, a(T2) est

d'environ 900 1/cm. Lorsqu'on emploie une source lumi-

neuse de longueur d'onde appropriée, les mesures de température peuvent être effectuées à partir des variations d'absorption. Le meilleur résultat est obtenu lorsque la source lumineuse 10 ou 10a émet une lumière sur une longueur d'onde appartenant à la partie

en pente douce 40 de la courbe spectrale d'absorption.

Dans le mode de réalisation employant deux bandes de longueur d'onde comme indiqué sur la figure 6, les bandes de longueur d'onde nécessaires sont obtenues à partir d'une seule source 42 fonctionnant dans la

gamme du proche infrarouge au moyen d'une plaque tour-

nante 44, dont les orifices sont recouverts de filtres appropriés 46a et 46b. Après avoir traversé les filtres, la lumière est envoyée dans la fibre optique 12. Pour obtenir des émissions lumineuses avec des largeurs de bande étroites, les filtres employés doivent être, par exemple, des filtres d'interférence. Ces filtres sont disponibles pour les longueurs d'onde désirées avec

les largeurs spectrales voulues.

Dans le mode de réalisation utilisant deux bandes de longueurs d'onde comme indiqué sur la figure 7, les bandes de longueurs d'onde nécessaires

sont obtenues à partir de deux sources lumineuses dis-

tincts 10a et 0lob. La lumière émise par chaque source est envoyée dans des fibres distinctes 12a et 12b qui

sont ultérieurement combinées en une seule fibre 12.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de température à l'aide de fibres optiques dans lequel - la lumière employée comme porteuse d'un signal de mesure est générée par une source lumineuse (10); - la lumière est guidée par une première fibre optique (12) vers un élément sensible à la température (26) placé en un point de mesure; - la lumière traversant l'élément sensible à la température (26) est guidée par une seconde fibre optique (16) pour la détection vers un détecteur (18) afin de déterminer la température, caractérisé par le fait que - l'élément sensible à la température (26) employé est un semi-conducteur mono ou polycristallin ayant un écart énergétique de transition indirecte; et - la source lumineuse employée est une source (10) ayant une longueur d'onde d'émission inférieure à la longueur d'onde du seuil d'absorption de l'élément

(26) sensible à la température employée.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-

risé par le fait qu'un signal de référence, dont la longueur d'onde est supérieure à la longueur d'onde de

seuil de la courbe d'absorption du matériau de l'élé-

ment sensible à la température, est guidé vers l'élément sensible à la température (26) afin d'éliminer les effets

des variations d'atténuation dans la fibre optique (12, 16).

3. Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé par le fait que le signal de référence et le signal de mesure sont obtenus par filtrage d'un signal

à large bande.

4. Procédé selon la revendication 2, caracté-

risé par le fait que le signal de référence et le signal de mesure sont obtenus à partir de sources

lumineuses distinctes (10a, 0lob).

5. Procédé selon l'une des revendications 2

à 4, caractérisé par le fait que le signal de référence est guidé dans un mode à partage du temps au moyen de la première fibre optique (12) vers l'élément sensible

à la température (26).

6. Appareil pour la mesure de température à l'aide de fibres optiques, comprenant - au moins une source lumineuse (10) pour générer la lumière à utiliser comme porteuse du signal de mesure; - un élément sensible à la température (26) disposé au point de mesure; - au moins une première fibre optique (12) grâce à laquelle la lumière peut être guidée vers l'élément sensible à la température (26); et - une seconde fibre optique (16) grâce à laquelle la lumière ayant traversé l'élément sensible

à la température (26) peut être guidée vers un détec-

teur (18) afin de déterminer la température, caractérisé par le fait que l'élément sensible à la température utilisé

(26) est une couche de semi-conducteur mono ou poly-

cristallin avec un écart énergétique de transition indirecte; et - la longueur d'onde de la lumière guidée depuis la source lumineuse (10) jusqu'à l'élément sensible à la température (26) a été adaptée pour être plus courte que la longueur d'onde de seuil de la

courbe d'absorption de l'élément sensible à la tempé-

rature (26) utilisé.

7. Appareil selon la revendication 6, carac-

térisé par le fait que des éléments de filtrage (44) sont montés entre la source lumineuse (10) et l'élément sensible à la température (26) afin d'éliminer par

filtrage les longueurs d'onde indésirables.

8. Appareil selon l'une des revendications 6

ou 7, caractérisé par le fait qu'aussi bien la pre-

mière (12) que la seconde (16) fibres optiques sont montées essentiellement dans des directions parallèles, perpendiculaires à l'élément sensible à la température (26) lequel est fixé sur une plaque de verre (24) dont

la surface tournée vers l'élément sensible à la tempé-

rature (26) constitue une surface réfléchissante (28).