FR3074294A1 - DEVICE FOR DETECTING AND / OR MEASURING QUANTITATIVE GAS IN AN ENVIRONMENT AND CORRESPONDING METHOD - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz dans un environnement (1), caractérisé par le fait qu'il comprend un système de mesure optique (2) associé à une fibre optique biréfringente (3) située dans l'environnement, le système de mesure optique (2) étant configuré pour mesurer une variation de biréfringence induite par le gaz (G) sur au moins une partie de la fibre optique biréfringente (3).The invention relates to a device for detecting and / or quantitatively measuring gas in an environment (1), characterized in that it comprises an optical measurement system (2) associated with a birefringent optical fiber (3) located in the environment, the optical measurement system (2) being configured to measure a gas-induced birefringence variation (G) on at least a portion of the birefringent optical fiber (3).
Description
DISPOSITIF DE DETECTION ET/OU DE MESURE QUANTITATIVE DEDEVICE FOR DETECTION AND / OR QUANTITATIVE MEASUREMENT OF
GAZGAS
DANS UN ENVIRONNEMENTIN AN ENVIRONMENT
ET PROCEDEAND METHOD
CORRESPONDANT détection détectionCORRESPONDENT detection detection
La présente de gaz, et de biréfringente.The gas, and birefringent presents.
Pour environnements invention concerne le domaine de porte plus particulièrement sur gaz par détecter sensibles ou de déchets la la l'emploi d'une des comme radioactifs, combustible nucléaire des à pile à combustible, capteurs de gaz et plus gaz a d ' une fuites de des sites de des fibre optique gaz dans stockage de piscines contenant des gaz le centrales ou encore des véhicules il est courant d'employer des particulièrement des capteurs de fibres optiques.For environments invention relates to the field of door more particularly on gas by detecting sensitive or waste the use of one of them as radioactive, nuclear fuel of fuel cell, gas sensors and more gas has a leakage of gas fiber optic sites in storage of swimming pools containing gas power stations or vehicles it is common to use fiber optic sensors in particular.
Par exemple, il est connu de recourir à l'emploi fibre optique présentant sur l'extérieur de une couche mince de matériau sensible. Cependant, celle-ci une telle configuration présente des problèmes de vieillissement fur et à mesure des cycles d'exposition au la dégradation de la couche sensible.For example, it is known to use optical fiber having on the outside a thin layer of sensitive material. However, this configuration presents problems of aging as the cycles of exposure to degradation of the sensitive layer progress.
Pour remédier à ces phénomènes, au gaz les en raison demandes de de brevets français FR3011940A1 et FR3035229A1 enseignent l'utilisation d est disposé à 1 est nécessaire une fibre optique dont le matériau sensible intérieur de la fibre.To remedy these phenomena, gas due to French patent applications FR3011940A1 and FR3035229A1 teach the use of is arranged at 1 is necessary an optical fiber whose sensitive material inside the fiber.
de prévenir le plus d'une fuite d'un gaz, tel que le fibre se trouve peu adapté du fait la fibre non immédiat. Egalement, qui nécessitent d'associer àto prevent as much as possible a gas leak, such that the fiber is not very suitable because of the non-immediate fiber. Also, which require to associate with
Cependant, lorsqu'il rapidement possible dihydrogène, ce type de d'un temps de réponse de il existe des systèmes de telles fibres un transducteur extérieur, ce qui nuit à la tenue dans le temps de tels capteurs, en particulier pour une détection de fuite lente. Par ailleurs, de tels dispositifs sont limités à des systèmes de mesure de type distribuée.However, when it is rapidly possible to obtain hydrogen, this type of response time exists for systems of such fibers with an external transducer, which adversely affects the durability of such sensors, in particular for leak detection. slow. Furthermore, such devices are limited to distributed type measurement systems.
Il existe donc un besoin pour un dispositif de détection qui présente une sensibilité accrue aux gaz, qui soit fiable et durable, de conception simple et polyvalent.There is therefore a need for a detection device which has an increased sensitivity to gases, which is reliable and durable, of simple and versatile design.
Les Demandeurs se proposent donc de répondre à ces besoins par l'emploi d'un dispositif de mesure comportant une fibre optique biréfringente, associée à un système de mesure optique pour une mesure optique de type répartie ou distribuée.The Applicants therefore propose to meet these needs by using a measurement device comprising a birefringent optical fiber, associated with an optical measurement system for an optical measurement of the distributed or distributed type.
La présente invention porte sur la mesure de l'évolution de la biréfringence d'une fibre optique induite par la diffusion d'un gaz dans une fibre optique biréfringente, notamment composée de zones de contraintes. Ces zones de contraintes peuvent être de natures différentes et/ou de formes différentes pour augmenter la sensibilité et la cinétique de réponse au gaz. Elles peuvent être composées d'un matériau standard pour les fibres biréfringentes, tel que la silice dopée bore (cas ou bien spécifique, tel qu'un verre synthétisé et/ou inclure des particules métalliques (par ex duThe present invention relates to the measurement of the evolution of the birefringence of an optical fiber induced by the diffusion of a gas in a birefringent optical fiber, in particular composed of stress zones. These stress zones can be of different natures and / or of different shapes to increase the sensitivity and the kinetics of response to the gas. They can be composed of a standard material for birefringent fibers, such as boron-doped silica (case or specific, such as synthesized glass and / or include metallic particles (e.g.
Les avantages de la présente invention sont notamment — l'utilisation d'un nouveau dispositif de détection et d'un nouveau procédé de mesure la variation de la biréfringence d'une fibre optique (composée de zones de contraintes sans autre élément transducteur) en fonction de la concentration de gaz dans le milieu environnant ;The advantages of the present invention are in particular - the use of a new detection device and of a new method of measuring the variation of the birefringence of an optical fiber (composed of stress zones without other transducer element) depending the concentration of gas in the surrounding environment;
— l'amélioration de la cinétique de mesure : la présence de zones de contraintes dans la structure de la fibre optique biréfringente permet de réduire le temps de détection de la fibre au gaz, par rapport à une fibre sans zones de contraintes, non biréfringente ;- improvement of the measurement kinetics: the presence of stress zones in the structure of the birefringent optical fiber makes it possible to reduce the detection time of the gas fiber, compared to a fiber without stress zones, not birefringent;
— l'amélioration de la sensibilité de mesure : la présence de zones de contraintes dans la structure de la fibre optique biréfringente permet d'accroître l'amplitude de la réponse de la fibre au gaz, par rapport à une fibre sans zones de contraintes, non biréfringente ;- improving the measurement sensitivity: the presence of stress zones in the structure of the birefringent optical fiber makes it possible to increase the amplitude of the response of the fiber to gas, compared to a fiber without stress zones, not birefringent;
— l'amélioration du dispositif et du procédé proposés par l'insertion de particules de palladium : l'insertion de particules de palladium dans les zones de contraintes de la fibre optique biréfringente permet d'améliorer la cinétique et la sensibilité du dispositif et du procédé proposés à la détection d'hydrogène dans le milieu environnant.- the improvement of the device and the method proposed by the insertion of palladium particles: the insertion of palladium particles in the stress zones of the birefringent optical fiber makes it possible to improve the kinetics and the sensitivity of the device and of the process proposed for the detection of hydrogen in the surrounding environment.
— l'exploitation du dispositif et du procédé proposés pour des mesures réparties : la mesure de la variation de la biréfringence d'une fibre optique (composée de zones de contraintes) engendrée par la présence d'un gaz permet d'obtenir des mesures réparties précises à partir d'un système peu onéreux et facile à mettre en place ;- the exploitation of the device and the process proposed for distributed measurements: the measurement of the variation of the birefringence of an optical fiber (composed of stress zones) generated by the presence of a gas makes it possible to obtain distributed measurements precise from an inexpensive system that is easy to set up;
— l'exploitation du dispositif et du procédé proposés pour des mesures distribuées : la mesure de la variation de la biréfringence d'une fibre optique (composée de zones de contraintes) engendrée par la présence d'hydrogène, peut potentiellement être réalisée à l'aide d'un système d'interrogation distribué comme par exemple un système P-OTDR ou P-BOTDR (rétrodiffusion Brillouin résolu en polarisation), ce qui permet d'apporter une solution plus performante pour la détection d'une fuite lente de gaz .- the exploitation of the device and the method proposed for distributed measurements: the measurement of the variation of the birefringence of an optical fiber (composed of stress zones) generated by the presence of hydrogen, can potentially be carried out using using a distributed interrogation system such as for example a P-OTDR or P-BOTDR system (Brillouin backscatter resolved in polarization), which makes it possible to provide a more efficient solution for the detection of a slow gas leak.
La présente invention a donc pour objet un dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz dans un environnement, caractérisé par le fait qu'il comprend un système de mesure optique associé à une fibre optique biréfrinqente située dans l'environnement, le système de mesure optique étant configuré pour mesurer une variation de biréfringence induite par le gaz sur au moins une partie de la fibre optique biréfringente.The present invention therefore relates to a device for the detection and / or quantitative measurement of gas in an environment, characterized in that it comprises an optical measurement system associated with a birefrinqente optical fiber located in the environment, the system an optical measurement device being configured to measure a variation of birefringence induced by the gas on at least part of the birefringent optical fiber.
Selon un mode de réalisation particulier, le système de mesure optique est configuré pour réaliser une mesure répartie selon l'une des méthodes choisies parmi la méthode des deux polariseurs croisés, la méthode des spectres cannelés et la méthode par interférométrie de Sagnac en configuration miroirs en boucle par fibre, FLM (en anglais « Fiber Loop Mirrors »).According to a particular embodiment, the optical measurement system is configured to perform a distributed measurement according to one of the methods chosen from the method of the two crossed polarizers, the method of fluted spectra and the method of Sagnac interferometry in mirror configuration in fiber loop, FLM (in English “Fiber Loop Mirrors”).
Selon un mode de réalisation particulier, le système de mesure optique est configuré pour réaliser une mesure distribuée selon l'une des méthodes choisies parmi la méthode de réflectométrie optique temporelle, OTDR, la méthode de réflectométrie optique temporelle résolue en polarisation, fréquentielie,According to a particular embodiment, the optical measurement system is configured to perform a distributed measurement according to one of the methods chosen from the optical temporal reflectometry method, OTDR, the optical temporal reflectometry method resolved in polarization, frequency,
P-OTDR, la méthode de réflectométrie optiqueP-OTDR, the optical reflectometry method
OFDR, et la méthode de réf lectométrie optique dans le domaine temporel de Brillouin, B-OTDR.OFDR, and the Brillouin time domain optical ref lectometry method, B-OTDR.
Selon un mode de réalisation particulier, la fibre optique biréfringente comporte des zones de contraintes entre la gaine et le cœur de la fibre optique biréfringente, les zones de contraintes étant en un matériau de nature différente à celui de la gaine, les zones de contraintes étant configurées pour réagir avec le gaz de 1 environnement. La forme des zones de contraintes peut être circulaire, ou plus ou moins quelconque. Il est à noter que ' invention n'est pas limitée du point de vue de la géométrie des zones de contraintes.According to a particular embodiment, the birefringent optical fiber comprises stress zones between the sheath and the core of the birefringent optical fiber, the stress zones being made of a material of a different nature to that of the sheath, the stress zones being configured to react with gas from 1 environment. The shape of the stress zones can be circular, or more or less arbitrary. It should be noted that the invention is not limited from the point of view of the geometry of the stress zones.
Par comparaison avec une fibre optique dans laquelle un réseau de Bragg est inscrit dans le cœur, la cinétique de réaction au gaz est améliorée, réduisant ainsi le temps de détection.Compared with an optical fiber in which a Bragg grating is registered in the core, the kinetics of reaction to gas is improved, thus reducing the detection time.
Selon un mode de réalisation particulier, les zones de contraintes comprennent du palladium de façon à mesurer le dihydrogène. Il est à noter que la mesure du gaz peut également être réalisée sans palladium dans les zones de contraintes, sans s'éloigner du cadre de la présente invention. Le palladium permet d'augmenter la célérité et la sensibilité de détection du gaz.According to a particular embodiment, the stress zones comprise palladium so as to measure dihydrogen. It should be noted that the measurement of the gas can also be carried out without palladium in the stress zones, without departing from the scope of the present invention. Palladium increases the speed and sensitivity of gas detection.
La présence de palladium dans les zones de contraintes accentue la sensibilité de réaction et donc améliore la cinétique de détection.The presence of palladium in the stress zones increases the reaction sensitivity and therefore improves the detection kinetics.
Selon un mode de réalisation particulier, le gaz est le dihydrogène.According to a particular embodiment, the gas is dihydrogen.
La présente invention porte également sur un procédé de détection et/ou de mesure quantitative de gaz dans un environnement, comprenant les étapes suivantes consistant à :The present invention also relates to a method for detecting and / or quantitatively measuring gases in an environment, comprising the following steps consisting in:
- mettre en entrée un signal optique dans une fibre optique biréfringente à l'aide d'un dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz tel que mentionné ci-dessus ;- Input an optical signal into a birefringent optical fiber using a quantitative gas detection and / or measurement device as mentioned above;
- mesurer un signal de sortie ; et- measure an output signal; and
- mesurer la variation de biréfringence de la fibre optique en fonction du signal de sortie.- measure the variation in birefringence of the optical fiber as a function of the output signal.
La variation de biréfringence permet de détecter le gaz, une analyse plus précise de la variation de la biréfringence permet de mesurer quantitativement le gaz dans l'environnement, soit dans l'absolu, soit par rapport à un étalonnage préalable.The variation in birefringence makes it possible to detect the gas, a more precise analysis of the variation in birefringence makes it possible to quantitatively measure the gas in the environment, either in absolute terms or in relation to a prior calibration.
Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, plusieurs modes de réalisation avec référence aux dessins annexés.To better illustrate the object of the present invention, several embodiments will be described below, by way of indication and without limitation, with reference to the accompanying drawings.
Sur ces dessins :In these drawings:
- la Figure 1 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique biréfringente d'un dispositif de détection et/ou mesure quantitative de gaz selon la présente invention ;- Figure 1 is a cross-sectional view of a birefringent optical fiber of a device for quantitative detection and / or measurement of gas according to the present invention;
- la Figure 2 est un schéma d'un dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz par mesure FLM selon- Figure 2 is a diagram of a device for quantitative detection and / or measurement of gas by FLM measurement according to
- la Figure 3 est un graphique illustrant l'évolution de la transmission de la fibre optique biréfringente de la Figure 1 en fonction de la longueur d'onde ;- Figure 3 is a graph illustrating the evolution of the transmission of the birefringent optical fiber of Figure 1 as a function of the wavelength;
- la Figure 4 est un graphique illustrant l'évolution de la biréfringence de la fibre optique biréfringente de la Figure 1 en fonction du temps d'hydrogénation ;- Figure 4 is a graph illustrating the evolution of the birefringence of the birefringent optical fiber of Figure 1 as a function of the hydrogenation time;
- la Figure 5 est graphique illustrant, en fonction du temps d'hydroqénation, l'évolution simulée de la concentration de dihydrogène dans les zones de contraintes et l'évolution d'un pic interférométrique pour une fibre optique biréfringente, et l'évolution du pic d'absorption de Bragg et l'évolution simulée de la concentration de dihydrogène au centre du cœur pour une fibre standard avec réseau de Bragg ; etFIG. 5 is a graph illustrating, as a function of the hydroqenation time, the simulated evolution of the concentration of dihydrogen in the stress zones and the evolution of an interferometric peak for a birefringent optical fiber, and the evolution of the Bragg absorption peak and simulated evolution of the concentration of dihydrogen in the center of the heart for a standard fiber with Bragg grating; and
- la Figure 6 est un graphique illustrant, en fonction du temps d'hydrogénation, l'évolution d'un pic interférométrique pour une fibre optique biréfringente commerciale standard, pour une fibre optique biréfringente sans palladium et pour fibre optique biréfringente avec palladium, et l'évolution simulée de la concentration en dihydrogène dans les zones de contraintes de la fibre optique biréfringente commerciale.FIG. 6 is a graph illustrating, as a function of the hydrogenation time, the evolution of an interferometric peak for a standard commercial birefringent optical fiber, for a birefringent optical fiber without palladium and for birefringent optical fiber with palladium, and l simulation of the dihydrogen concentration in the stress zones of commercial birefringent optical fiber.
Le dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz dans un environnement 1 selon la présente invention comprend un système de mesure optique 2 associé à une fibre optique biréfringente 3 .The device for detecting and / or quantitatively measuring gas in an environment 1 according to the present invention comprises an optical measurement system 2 associated with a birefringent optical fiber 3.
La fibre optique biréfringente 3 est destinée à être située dans un environnement de détection où elle joue le rôle de capteur de gaz G.The birefringent optical fiber 3 is intended to be located in a detection environment where it acts as a gas sensor.
Sur la FigureOn the face
1, on peut voir que ' on a représenté une vue en coupe transversale d'une fibre optique biréfringente 3 utilisée dans un dispositif de détection et/ou de mesure quantitative de gaz selon la présente invention.1, it can be seen that there is shown a cross-sectional view of a birefringent optical fiber 3 used in a device for detecting and / or quantitatively measuring gas according to the present invention.
De façon classique, la fibre optique comprend une gaine 4 et un cœur 5. La fibre optique est une fibre optique biréfringente.Conventionally, the optical fiber comprises a sheath 4 and a core 5. The optical fiber is a birefringent optical fiber.
De façon bien connue deWell known way of
1'homme du métier, par fibre optique biréfringente, on entend toute fibre optique possèdent un axe lent et un axe rapide ayant des indices de réfraction différents, soit une fibre optique avec deux axes de polarisation. La biréfringence est la différence des indices de réfraction des deux axes.1 person skilled in the art, by birefringent optical fiber, is meant any optical fiber having a slow axis and a fast axis having different refractive indices, ie an optical fiber with two axes of polarization. Birefringence is the difference of the refractive indices of the two axes.
La fibre optique biréfringente 3 selon la présente invention présente des zones de contraintes 6 (en anglais Stress Applying Parts, SAP) qui sont disposées de façon symétrique par rapport au cœur 5, entre le cœur 5 et la gaine 4. Les zones de contraintes 6 sont constituées en ce un matériau de nature différente de celui de la gaine, matériau (tel que de la silice dopée bore, ou du verre SAL (70 %mol S1O2 + 20 %mol AI2O3 + 10 %mol L^Cg) dopé ou non avec du palladium) s'étendant parallèlement au cœur 5 sur toute la longueur de la fibre optique 3.The birefringent optical fiber 3 according to the present invention has stress zones 6 (in English Stress Applying Parts, SAP) which are arranged symmetrically with respect to the core 5, between the core 5 and the sheath 4. The stress zones 6 consist of a material of a different nature from that of the sheath, material (such as silica doped with boron, or glass SAL (70% mol S1O2 + 20% mol AI2O3 + 10% mol L ^ Cg) doped or not with palladium) extending parallel to the core 5 over the entire length of the optical fiber 3.
En variante, les zones de contraintes 6 comprennent également des particules métalliques. De façon particulièrement avantageuse, les particules métalliques sont des particules de palladium. Le verre comportant des particules métalliques de palladium est synthétise par la méthode dite de fusion/trempe, en anglais Melt-Quenching, puis est traité pour être réduit afin de donner une matrice vitreuse incluant du palladium sous forme métallique. On pourra se reporter à la demande de brevet françaisAs a variant, the stress zones 6 also include metallic particles. Particularly advantageously, the metal particles are palladium particles. Glass comprising metallic palladium particles is synthesized by the so-called melting / quenching method, in English Melt-Quenching, then is treated to be reduced in order to give a vitreous matrix including palladium in metallic form. We can refer to the French patent application
FR3011940A1 qui divulgue un procédé d'inclusion de particules de palladium dans un verre de silice.FR3011940A1 which discloses a process for the inclusion of palladium particles in a silica glass.
De façon générale, la préforme de la fibre optique 3 est réalisée à l'aide des trois procédés suivants associés bien connus de 1'homme du métier : procédé poudre,In general, the preform of the optical fiber 3 is produced using the following three associated methods well known to those skilled in the art: powder method,
MCVD (dépôt chimiqueMCVD (chemical deposition
Draw (empilement et stack-anddonc pas détaillés ici.Draw (stacking and stack-and therefore not detailed here.
L'invention porte principalement sur la fibre optique biréfringente composée de zones de contraintes. Il existe plusieurs méthodes de fabrication standards qui permettent de réaliser ces fibres optiques de façon indépendante ou couplées.The invention relates mainly to birefringent optical fiber composed of stress zones. There are several standard manufacturing methods which allow these optical fibers to be produced independently or in combination.
Les méthodes MVCD ou stack and draw avec insertion dans la préforme de deux barreaux de matériauxMVCD or stack and draw methods with two material bars inserted into the preform
SAP, la méthode « poudre » avec insertion de poudre de matériaux dans la préforme.SAP, the “powder” method with the insertion of powdered materials into the preform.
Comme c'est le cas pour les fibres réalisées avec du verreAs is the case for fibers made with glass
SAL ou SAL+Pd, les méthodes MCVD, Stack-and-draw et poudre ont été associées.SAL or SAL + Pd, the MCVD, Stack-and-draw and powder methods have been combined.
détection réaliser fibredetection realize fiber
Le système de mesure optique 2 du dispositif de et/ou de mesure de gaz 1 est configuré pour une mesure de variation de biréfringence de la optique biréfringenteThe optical measurement system 2 of the gas measurement and / or measurement device 1 is configured for a measurement of birefringence variation of the birefringent optics
3, la variation de biréfringence étant induite par l'environnement dans lequel est un gaz à placée la détecter dans fibre optique biréfringente 3 et le gaz diffusant et réagissant dans les zones de est en répartie optique est gazeux contraintes 6 . Un tel système de mesure optique 2 particulier configuré pour réaliser ou une mesure distribuée au niveau biréfringente 3.3, the variation in birefringence being induced by the environment in which a gas is placed to detect it in birefringent optical fiber 3 and the gas diffusing and reacting in the zones of is in optical distribution is gaseous constraints 6. Such a particular optical measurement system 2 configured to perform or a distributed measurement at the birefringent level 3.
En fonctionnement, la fibre optique un produire.In operation, the optical fiber produces.
présente une mesure de la fibre biréfringente capteur de gaz disposé dans un environnement où des fuites gazeusespresents a measurement of the birefringent fiber gas sensor arranged in an environment where gas leaks
Selon différents modes sont de susceptibles réalisation invention, la mesure de la variation biréfringence est réalisée par l'intermédiaire de mesure optique fonctionnant distribuée.According to different embodiments of the invention, the measurement of the birefringence variation is carried out by means of distributed operating optical measurement.
Sur la Figure 2, on de de de se la la système en mesure répartie ou peut voir que 1'on représenté un système de mesure optique répartie selon un premier mode de du type à mesure réalisation de la présente invention.In Figure 2, one shows the distributed measurement system or can see that there is shown a distributed optical measurement system according to a first mode of the measurement type embodiment of the present invention.
II s’agit mesureIt's about measuring
FLM (interférométrie de soudant ensemble deux (diviseur mesure de la portion de laFLM (interferometry of welding together two (divider measures the portion of the
Sagnac en de mesure voies de de puissance biréfringence fibre optique configuration Fiber Loop optique 2 est réalisé en sortie 9, 10 d'un coupleur optiques. La est obtenue en insérant une biréfringente 3 entre les deux voies de sorties 9, 10 du coupleur 11, puis en mesurant par l'intermédiaire d'un analyseur de spectre optique (OSA) le spectre d'une source blanche 13 transmise dans ce dispositif. Le spectre obtenu est cannelé comme on peut le voir sur Figure 3 représentant l'évolution de la transmission mesurée en fonction de la longueur d'onde. La différence spectrale entre chaque minimum de transmission permet d'obtenir la valeur de la biréfringence.Sagnac in measuring optical fiber birefringence power channels Optical Fiber Loop configuration 2 is produced at output 9, 10 of an optical coupler. The is obtained by inserting a birefringent 3 between the two output channels 9, 10 of the coupler 11, then by measuring via an optical spectrum analyzer (OSA) the spectrum of a white source 13 transmitted in this device . The spectrum obtained is fluted as can be seen in Figure 3 representing the evolution of the transmission measured as a function of the wavelength. The spectral difference between each transmission minimum makes it possible to obtain the value of the birefringence.
Selon une première variante du premier mode de réalisation, le système de mesure optique 2 fonctionne sur une mesure optique répartie selon la méthode des deux polariseurs croises (polariseur/analyseur). Cette méthode consiste à disposer un filtre polarisé à l'entrée de la fibre optique biréfringente 3 afin de laisser passer un seul état de polarisation bien défini. Un second filtre est positionné à la sortie de la fibre optique biréfringente 3.According to a first variant of the first embodiment, the optical measurement system 2 operates on an optical measurement distributed according to the method of two crossed polarizers (polarizer / analyzer). This method consists in placing a polarized filter at the input of the birefringent optical fiber 3 in order to allow a single well-defined polarization state to pass. A second filter is positioned at the outlet of the birefringent optical fiber 3.
L ' évolution de l'intensité transmise à travers ' ensemble du système de mesure optique en fonction des différentes polarisations (orientations des filtres) permet de mesurer la valeur de la biréfringence de la fibre optique.The evolution of the intensity transmitted through the entire optical measurement system as a function of the different polarizations (orientations of the filters) makes it possible to measure the value of the birefringence of the optical fiber.
Selon une deuxième variante du premier mode de réalisation, le système de mesure optique fonctionne sur une mesure optique répartie selon la méthode des spectres cannelés. Cette méthode est similaire à la méthode des deux polariseurs croisés. Au lieu d'analyser l'évolution de l'intensité transmise à une longueur d'onde, cette méthode consiste à mesurer le spectre de transmission d'une source de lumière blanche à travers le système de mesure optique. Le spectre de transmission est constitué de cannelures, ou des minimums d'intensité pour certaines longueurs d'ondes.According to a second variant of the first embodiment, the optical measurement system operates on a distributed optical measurement according to the method of fluted spectra. This method is similar to the method of two crossed polarizers. Instead of analyzing the evolution of the intensity transmitted at a wavelength, this method consists in measuring the transmission spectrum of a white light source through the optical measurement system. The transmission spectrum consists of grooves, or intensity minima for certain wavelengths.
L'écart spectral entre chaque cannelure permet de mesurer la biréfringence de la fibre optique.The spectral difference between each groove makes it possible to measure the birefringence of the optical fiber.
ne sont optiqueare only optical
Il est bien entendu que pas limitatifs et que de biréfringence basés ces tous sur modes de systèmes réalisation de mesure une mesure répartie connus de l'homme du métier et adaptés à une telle mesure entrent dans le cadre de la présente invention. Par exemple, le système de mesure optique peut reposer sur la mesure de l'état de polarisation d'une onde optique.It is understood that not limiting and that birefringence based these all on embodiments of measurement embodiment systems a distributed measurement known to those skilled in the art and adapted to such a measurement fall within the scope of the present invention. For example, the optical measurement system can be based on measuring the state of polarization of an optical wave.
Dans le cas des mesures optiques réparties le long de la fibre optique biréfringente, la présente invention est particulièrement avantageuse en ce qu'elle ne nécessite pas l'emploi d'un dispositif spécifique, tel qu'un transducteur.In the case of optical measurements distributed along the birefringent optical fiber, the present invention is particularly advantageous in that it does not require the use of a specific device, such as a transducer.
Selon un second mode de réalisation de la présente invention, le système de mesure optique est basé sur une mesure optique distribuée.According to a second embodiment of the present invention, the optical measurement system is based on a distributed optical measurement.
Selon une première variante du second mode de réalisation, le système de mesure optique fonctionne sur une mesure optique distribuée selon la méthode de réflectométrie optique temporelle (en anglais Optical TimeDomain Reflectometry, désignée par son acronyme OTDR), en particulier résolue en polarisation (en anglais Polarization-Optical Time-Domain Reflectometry, désignée par son acronyme P-OTDR) ou la méthode de réflectométrie optique fréquentielle (en anglais Optical Frequency-Domain Reflectometry, désignée par son acronyme OFDR). Cette méthode consiste à envoyer un signal optique dans la fibre optique biréfringente « transductrice » et analyser les signaux réfléchis par des discontinuités, perturbations ponctuelles le long de la fibre optigue biréfringente. L'analyse peut être réalisée dans le domaine temporel ou fréguentiel. A cette méthode s'ajoute une analyse de l'état de polarisation pour permettre une mesure d'une variation ponctuelle, locale de la biréfringence de la fibre optigue biréfringente.According to a first variant of the second embodiment, the optical measurement system operates on an optical measurement distributed according to the optical time reflectometry method (in English Optical TimeDomain Reflectometry, designated by its acronym OTDR), in particular resolved in polarization (in English Polarization-Optical Time-Domain Reflectometry, designated by its acronym P-OTDR) or the method of optical frequency reflectometry (in English Optical Frequency-Domain Reflectometry, designated by its acronym OFDR). This method consists in sending an optical signal into the birefringent "transducing" optical fiber and analyzing the signals reflected by discontinuities, punctual disturbances along the birefringent optical fiber. The analysis can be performed in the temporal or friguential domain. To this method is added an analysis of the state of polarization to allow a measurement of a point, local variation of the birefringence of the birefringent optical fiber.
Selon une deuxième variante du second mode de réalisation, le système de mesure optigue fonctionne sur une mesure optigue distribuée selon la méthode de réflectométrie optique dans le domaine temporel deAccording to a second variant of the second embodiment, the optical measurement system operates on an optical measurement distributed according to the optical reflectometry method in the time domain of
Brillouin (en anglais Brillouin-OpticalBrillouin (in English Brillouin-Optical
T ime-DomainT ime-Domain
Reflectometry, désignée par son acronyme B-OTDR) résolue en polarisation. Cette méthode de réflectométrie consiste à envoyer un signal dans le cœur de interactions entre optique qui la fibre cette onde engendre une onde acoustique optique biréfringente. Les acoustique, l'onde optique et la fibre optique biréfringente engendrent une onde optique qui est réfléchie. L'analyse dans le domaine temporel ou fréquentiel de ce signal réfléchi permet d'obtenir des informations sur des perturbations ponctuelles, locales. A cette méthode s polarisation pour ponctuelle, locale biréfringente.Reflectometry, designated by its acronym B-OTDR) resolved in polarization. This reflectometry method consists in sending a signal in the core of interactions between optics which the fiber this wave generates a birefringent optical acoustic wave. The acoustics, the optical wave and the birefringent optical fiber generate an optical wave which is reflected. The analysis in the time or frequency domain of this reflected signal makes it possible to obtain information on specific, local disturbances. To this method s polarization for punctual, local birefringent.
'ajoute une analyse permettre une mesure de la biréfringenceadds an analysis to allow a measurement of birefringence
Un système de mesure du type de de l'état de d'une variation la fibre optique à mesure distribuée est particulièrement adapté à la détection de fuites lentes de gaz.A measurement system of the type of the state of a variation in the distributed measurement optical fiber is particularly suitable for detecting slow gas leaks.
De même que précédemment, il est bien entendu que ces modes de systèmes de réalisation ne mesure optique mesure distribuée une telle mesure invention.As previously, it is understood that these embodiments do not measure optical measurement distributed measurement such an invention measure.
Les quantitative présente détection connus de entrent dispositifs de gaz dans invention sont sont pas limitatifs et que tous de biréfringence basés sur une l'homme du métier et adaptés à dans le cadre de la présente de un détection et/ou environnement 1 de mesure selon la particulièrement adaptés àThe quantitative present detection known to enter gas devices in invention are not limiting and that all of birefringence based on a person skilled in the art and adapted to within the framework of the present of a detection and / or environment 1 of measurement according to the particularly suitable for
Sur la Figure 4, on peut voir que 1'on la représenté l'évolution de la biréfringence en fonction du temps d'hydrogénation telle que mesurée àIn FIG. 4, it can be seen that the evolution of the birefringence as a function of the hydrogenation time as measured at
1'aide d un système de mesure optique 2 selon la première variante du premier mode de réalisation, à savoir basé sur une mesure optique répartie par interférométrie de Sagnac en configuration Fiber Loop Mirrors. La variation de la biréfringence est induite par une perturbation extérieure due à la réaction au dihydrogène qui engendre une variation de la position des pics dans le spectre de transmission. On peut voir que la biréfringence, et donc la concentration de dihydrogène dans la fibre optique biréfringente, augmente avec le temps d'hydrogénation.Using an optical measurement system 2 according to the first variant of the first embodiment, namely based on an optical measurement distributed by Sagnac interferometry in the Fiber Loop Mirrors configuration. The variation in birefringence is induced by an external disturbance due to the reaction to dihydrogen which generates a variation in the position of the peaks in the transmission spectrum. It can be seen that the birefringence, and therefore the concentration of dihydrogen in the birefringent optical fiber, increases with the time of hydrogenation.
Sur la Figure 5, on peut voir que l'on a représenté, en fonction du temps d'hydrogénation, d'une part l'évolution simulée de la concentration de dihydrogène dans les zones de contraintes 6 et l'évolution d'un pic interférométrique pour une fibre optique biréfringente (fibre PANDA), et d'autre part, l'évolution du pic et l'évolution simulée de la concentration de dihydrogène au centre du cœur pour une fibre standard avec un réseau deOn Figure 5, we can see that we have represented, as a function of the hydrogenation time, on the one hand the simulated evolution of the concentration of dihydrogen in the stress zones 6 and the evolution of a peak interferometric for a birefringent optical fiber (PANDA fiber), and on the other hand, the evolution of the peak and the simulated evolution of the concentration of dihydrogen at the center of the core for a standard fiber with a network of
Bragg inscrit dans le cœur (fibre monomode de type SMF28) biréfringenteBragg inscribed in the core (single-mode fiber of SMF28 type) birefringent
On peut voir que la fibre optiqueWe can see that the optical fiber
réaction d'hydrogénation se produit dès que le dihydrogène arrive dans les zones de contraintes 6. Dans le cas de la fibre exempte de zones de contraintes, la réaction d'hydrogénation est plus tardive et ne se produit que lorsque le dihydrogène a migré jusqu'au cœur de la fibre.hydrogenation reaction occurs as soon as the dihydrogen arrives in the stress zones 6. In the case of the fiber free of stress zones, the hydrogenation reaction is later and does not take place until the dihydrogen has migrated up to at the heart of the fiber.
La présence de palladium dans les zones de contraintes 6 permet d'augmenter la sensibilité de la fibre optique biréfringente vis-à-vis du dihydrogène ainsi que la cinétique d'hydroqénation.The presence of palladium in the stress zones 6 makes it possible to increase the sensitivity of the birefringent optical fiber with respect to dihydrogen as well as the kinetics of hydrogenation.
La Figure 6 représente, en fonction du temps d'hydrogénation, d'une part l'évolution d'un pic interférométrique pour une fibre optique biréfringente commerciale standard (fibre PANDA), pour une fibre optique biréfringente sans palladium et pour une fibre optique biréfringente 2 avec palladium, ces deux dernières étant réalisées selon les procédés mentionnés ci-dessus, et d'autre part, l'évolution simulée de la concentration en dihydrogène dans les zones de contraintes de la fibre optique biréfringente commerciale.Figure 6 represents, as a function of the hydrogenation time, on the one hand the evolution of an interferometric peak for a standard commercial birefringent optical fiber (PANDA fiber), for a birefringent optical fiber without palladium and for a birefringent optical fiber 2 with palladium, the latter two being produced according to the methods mentioned above, and on the other hand, the simulated evolution of the concentration of dihydrogen in the stress zones of the commercial birefringent optical fiber.
La fibre optique biréfringente commerciale est en silice dopée au bore (~ 20 %masse) et est utilisée en tant que fibre témoin.Commercial birefringent optical fiber is made of boron-doped silica (~ 20% mass) and is used as a control fiber.
La fibre optique biréfringente sans palladium est mise en forme comme mentionné ci-dessus et présente des zones de contraintes remplies d'un verre de silice SAL tel que mentionné ci-dessus. En comparaison avec la fibre optique biréfringente commerciale, les zones de contraintes sont positionnées plus loin sont plus petites (~ 2The palladium-free birefringent optical fiber is shaped as mentioned above and has stress zones filled with a silica glass SAL as mentioned above. Compared with commercial birefringent optical fiber, the stress zones are positioned further are smaller (~ 2
La f ibre optique biréfringente 2 avec palladium est mise en forme comme mentionné ci-dessus, le palladium étant inclus dans les zones de contraintes 6.The birefringent optical fiber 2 with palladium is shaped as mentioned above, the palladium being included in the stress zones 6.
On peut voir sur la Figure 6 que la présence des zones de contraintes 6 à verreIt can be seen in Figure 6 that the presence of the glass 6 stress zones
SAL augmente la vitesse de réaction au dihydrogèneSAL increases the rate of reaction to dihydrogen
Par ailleurs, on peut également voir que la fibre optique biréfringente 2 avec palladium présente un temps de réaction plus court que la fibre optique biréfringente sans palladium. En outre on peut noter la présence d'un maximum correspondant à la saturation à l'hydrogène des zones de contraintes incluant les particules de palladium.Furthermore, it can also be seen that the birefringent optical fiber 2 with palladium has a shorter reaction time than the birefringent optical fiber without palladium. In addition, we can note the presence of a maximum corresponding to the hydrogen saturation of the stress zones including the palladium particles.
La définition de ce maximum (amplitude et fenêtre temporelle) dépend du positionnement, de la quantité de dopage au palladium des zones de contraintes.The definition of this maximum (amplitude and time window) depends on the positioning, on the amount of palladium doping of the stress zones.
Du fait d'une part de la présence de zones de contraintes, et d'autre part de la présence de palladium dans les zones de contraintes, le dispositif 1 selon la présente invention présente une sensibilité accrue au dihydrogène par rapport à une fibre standard dans laquelle est inscrit un réseau de Bragg et une réduction du temps de détection. La présence de zones de contraintes permet en outre d'accroître l'amplitude de la réponse de la fibre au dihydrogène.Due on the one hand to the presence of stress zones, and on the other hand to the presence of palladium in the stress zones, the device 1 according to the present invention has an increased sensitivity to dihydrogen compared to a standard fiber in which is inscribed with a Bragg grating and a reduction in detection time. The presence of stress zones also makes it possible to increase the amplitude of the response of the fiber to dihydrogen.
Le dispositif 1 est particulièrement adapté à une utilisation dans le cas d'applications qui nécessitent de mesurer pendant plusieurs décennies la concentration en hydrogène dans une enceinte (détection d'une éventuelle fuite lente d'hydrogène). L'absence d'élément transducteur permet d'augmenter la longévité du dispositif du fait d'une meilleure tenue dans le temps.The device 1 is particularly suitable for use in the case of applications which require measuring the hydrogen concentration in an enclosure for several decades (detection of a possible slow leak of hydrogen). The absence of a transducer element makes it possible to increase the longevity of the device due to better resistance over time.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui viennent d'être décrits ont été donnés à titre indicatif et non limitatif et que des modes de réalisation peuvent y être apportés sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de la présente invention.It is understood that the embodiments which have just been described have been given by way of non-limiting example and that embodiments may be provided without thereby departing from the scope of the present invention. .
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2017
- 2017-11-28 FR FR1761320A patent/FR3074294B1/en active Active
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Also Published As
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