Article de référence | Réf : R2803 v1

Thermomètres à fibre optique

Auteur(s) : Pierre FERDINAND

Date de publication : 10 sept. 2003

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Présentation

RÉSUMÉ

Cet article compare les caractéristiques des différents types de thermomètres à fibre optique. Les équipements concernés sont pour les équipements sans contact, les pyromètres monochromatiques, bichromatiques, multichromatiques. Et pour les équipements avec contact, les capteurs intrinsèques et extrinsèques qu'ils soient répartis ou distribués. Cet article constitue un guide d'aide à la sélection  du ou des systèmes les mieux adaptés à chaque situation.

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Auteur(s)

  • Pierre FERDINAND : Docteur d’État ès sciences - Chef de laboratoire au CEA-List, Direction de la Recherche Technologique, Centre d’Études de Saclay

INTRODUCTION

Les capteurs à fibre optique (CFO) de température se classent globalement en deux grandes catégories, suivant que la mesure est effectuée sans ou avec contact. Il s’agit bien entendu d’un côté des pyromètres, fondés sur la détection du flux IR émis par les corps dont on souhaite déterminer la température de surface, et pour lesquels la fibre est utilisée dans le seul but de déporter le point de mesure, et d’un autre côté des capteurs et réseaux de capteurs à fibre, aussi bien de type intrinsèque (la fibre joue le rôle de transducteur) qu’extrinsèque (la fibre n’est pas transductrice à proprement parler), fondés sur toute une palette de phénomènes physiques faisant intervenir la température.

Les pyromètres optiques (voir Thermomètres à fibre optique sans contact : pyromètres) demeurent irremplaçables pour la mesure des hautes et très hautes températures, là où un thermomètre à contact serait détruit ; ils permettent également le contrôle thermique sur une toute petite zone, alors qu’un thermomètre à contact pourrait fausser le résultat. Les pyromètres optiques présentent par ailleurs l’avantage d’être très rapides (leur temps de réponse est classiquement de 1 ms, voire de quelques microsecondes pour certains modèles spéciaux), ce qui bien sûr est très appréciable lorsque l’on souhaite mesurer l’évolution rapide de la température, comme celle de pièces chauffées par induction. Certains modèles, bichromatiques par exemple, sont de plus conçus pour prendre en compte l’émissivité de la cible, paramètre dont l’influence est connue pour fausser la mesure de température. Désormais, ces différentes catégories de pyromètres sont le plus souvent proposées en version fibrée, ce qui permet à l’utilisateur de déporter l’instrumentation optoélectronique loin du ou des points de mesure. De ce fait, les fibres optiques autorisent la mesure de la température des objets cachés ou difficiles d’accès, voire mobiles : elles recueillent le flux IR qu’ils émettent et le transmettent à un ou plusieurs détecteurs placés à l’autre extrémité au sein de l’instrument de mesure. De nombreux produits sont aujourd’hui disponibles sur le marché, certains très performants, et l’utilisateur n’a pratiquement que l’embarras du choix, en fonction de la gamme de température à mesurer, voire du type de matériau considéré, et bien entendu du coût des instruments. Il faut noter que les constructeurs proposent souvent des options complémentaires permettant d’utiliser leurs pyromètres dans les conditions les plus diverses. De même, ils intègrent désormais un grand nombre des fonctions de traitement, d’affichage, etc., rendues désormais possibles par la microélectronique moderne.

Au-delà des différentes catégories de pyromètres, l’avènement de la fibre optique a permis, depuis les années 1980, le développement rapide des capteurs répartis et distribués de température (voir Thermomètres à fibre optique avec contact). Les premiers fournissent une mesure « pseudo-continue », c’est-à-dire un profil de température le long de la fibre, avec une résolution spatiale de l’ordre du mètre et une résolution de mesure d’environ 1 ˚C. Ce type de produit, communément appelé DTS Raman, puisque fondé sur cet effet, a, grâce à 15 ans de R&D soutenue, atteint le niveau de produit industriel, et est désormais utilisé sur le terrain ; le nombre de retours d’expérience est déjà impressionnant. Seul le procédé Brillouin, moins abouti, pourrait le concurrencer dans l’avenir, puisqu’il autorise potentiellement la mesure simultanée de la température et des déformations présentes le long de la fibre, alors que le DTS Raman ne permet que la mesure des températures.

Les capteurs distribués sont, quant à eux, le pendant des capteurs répartis, puisqu’ils permettent de réaliser des mesures locales multipoints. Pour certains capteurs, le flux thermique capté est celui émis par un élément sensible placé à l’extrémité de la fibre : petit corps noir manufacturé, pastille d’élément fluorescent, semi-conducteur. Ces produits, disponibles sur le marché, sont généralement d’un coût tout à fait abordable pour des instruments optoélectroniques et peuvent rendre de nombreux services en environnement perturbé. Cependant, les capteurs les plus performants entrant dans la catégorie des capteurs intrinsèques distribués, et qui offrent le plus grand nombre de fonctionnalités, sont sans nul doute les capteurs à réseaux de Bragg. Ceux-ci peuvent déterminer la température à 0,1 ˚C près, fonctionner depuis les températures cryogéniques jusqu’à près d’un millier de degrés et sont naturellement multiplexables, entre eux ou avec d’autres types de capteurs (pression, déformation, force...). La décennie 1990 a été nécessaire pour les mettre au point et ils abordent désormais le marché industriel, qu’il s’agisse d’applications en contrôle des process ou en surveillance des structures. Bien que leur offre commerciale ne soit pas encore très abondante, soyons certains qu’ils prendront une place importante sur le marché des années à venir, compte tenu de leurs performances métrologiques et de leur très faible intrusivité (ils sont inscrits dans le cœur des fibres optiques) rendant leur utilisation possible au sein des matériaux, voire in vivo dans certaines applications biomédicales.

Ce comparatif conclut la série d’articles consacrée aux thermomètres à fibre optique. Les principes présidant à la mesure de température par capteur à fibre optique (CFO) font l’objet de l’article Thermomètres à fibre optique- Procédés de mesure. Les pyromètres, ou capteurs de température à fibre optique sans contact, sont traités dans l’article Thermomètres à fibre optique sans contact : pyromètres. Les thermomètres à fibre optique avec contact sont, eux, détaillés dans l’article Thermomètres à fibre optique avec contact.

Le présent comparatif [Comp. R 2 803] se veut un outil d’aide à la sélection du ou des systèmes les mieux adaptés à chaque situation.

Une liste des principaux concepteurs et fabricants de CFO de température peut être consultée dans la partie « Pour en savoir plus » .

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r2803


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.), coll -   Potentialités des capteurs distribués et des réseaux de Capteurs à Fibres Optiques à Électricité de France  -  . Congrès Mesucora 88, Paris, session no 13, pp. 45-78 (1988).

  • (2) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.) -   Les réseaux de Capteurs à Fibres Optiques : Principes et applications  -  . Congrès Mesucora 91, session no 2, Paris, pp. 31-71 (1991).

  • (3) - FERDINAND (P.) -   Capteurs à Fibres Optiques et Réseaux associés  -  . Techniques et Documentation Lavoisier (1992).

  • (4) - FERDINAND (P.), MAGNE (S.), DEWYNTER-MARTY (V.), MARTINEZ (C.), ROUGEAULT (S.), BUGAUD (M.) -   Applications of Bragg Grating Sensors in Europe (Applications des Capteurs à Réseaux de Bragg en Europe)  -  . Inter. Conf. on Optical Fiber Sensor OFS’12, Williamsburg, pp. 14-15 (1997).

  • (5) -   Thermomètre à fibre optique : le thermomètre idéal ?  -  Mesures, pp. 53-57 (3 oct. 1983).

  • ...

1 Sites Internet

Optoelectronic Industry and Technology Development Association (OITDA) http://www.oitda.or.jp

Lawrence Livermore National Laboratory (pyrométrie bicolore) http://www.llnl.gov

International Technology Research Institute, Optical Sensors Technology http://itri.loyola.edu/opto/c6_s3.htm

Business Communications Company, Fiber Optic Sensors http://www.buscom.com/instru/G116R.html

The International Society for optical engineering http://www.spie.org

Collected Papers of the International Conferences on Optical Fiber Sensors (OFS), 1983-1997. SPIE, OSA, LEOS (1999) http://www.spie.org/web/abstracts/pdfs/CDP01.pdf

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2 Constructeurs et fabricants (Liste non exhaustive)

Le tableau  récapitule les principaux concepteurs et fabricants de CFO de température, ainsi que leurs distributeurs.

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