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WO 2004/005876 PCT/FR2003/002024
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CAPTEUR DE PRESSION A FIBRE OPTIQUE COMPENSE EN TEMPERATURE
La présente invention concerne un capteur de pression à fibre optique compensé
en
température.
Le capteur selon l'invention trouve des applications dans de nombreux domaines
mesure, contrôle, détection-alarme, surveillance, où l'on recherche une
excellente immunité à
l'environnement extérieur. Il est particulièrement adapté notamment pour la
mesure de la
pression régnant dans des puits de production pétrolière. Bien qu'il puisse
être utilisé pour les
mesures de pression en général, le capteur est plus particulièrement destiné à
mesurer avec une
très grande précision les variations de pression au sein d'un fluide.
Etat de la technique
Les capteurs à fibres optiques présentent d' autres avantages spécifiques :
faible
encombrement, masse réduite, grande bande passante et faible atténuation,
immunité aux
parasites électromagnétiques, bonne résistance aux effets des rayonnements
ionisants,
possibilité de lecture multiplexée de signaux produits par différents capteurs
et de déports
importants des points de mesure, etc.
L'état de la technique dans le domaine peut être illustré notamment par les
brevets
suivants : US 4,932,262, US 5 317,929, US 5,600,070, WO 99/13307 (US
6,016,702),
WO 00/00799, WO 01/14843 ou EP 1008840 A1.
Les capteurs de pression comportent par exemple un ou plusieurs éléments
déformables (diaphragme, soufflet, etc.) dont l'une des surfaces est soumise à
la pression
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régnant dans un milieu, l'autre surface étant soumise à une pression de
référence. Les
déformations ou déplacements de ces éléments sous l'effet des variations de
pression dans le
milieu, sont traduites sous la forme de variations de longueur d'une portion
de fibre optique à
réseaux de Bragg reliant l'élément mobile à un boîtier fixe. A ces captéurs de
pression, est
souvent associé un capteur du même type sur une portion de fibre optique non
soumise à une
contrainte où les déformations du réseau ne sont dues qu'à des variations de
la température.
On peut utiliser par exemple des réseaux de Bragg de type standard dont la
largeur spectrale
moyenne est de l'ordre de 200 pm, ou, pour une plus grande précision, des
réseaux de Bragg
de type à saut de phase dont la largeur spectrale est réduite à quelques
picomètres (pm) tels
que décrits par exemple dans la demande de brevet WO 9959009.
Le capteur de pression selon l'invention
Le capteur de pression à fibre optique selon l'invention permet de détecter
les
variations de pression dans un milieu par rapport à un milieu de référence (la
pression
atmosphérique par exemple ou une contre-pression). Il comporte au moins un
élément
déformable (une membrane par exemple ou de préférence un soufflet dont la
longueur s'accroît
quand la pression du milieu augmente) exposé d'un côté au milieu de référence
et, du côté
opposé, à une pression à mesurer, au moins une fibre optique dont au moins une
portion est
précontrainte. A cet effet, elle est reliée d'un côté à l'élément déformable
et du côté opposé, à
un point de référence de telle sorte que sa contrainte varie avec les
déplacements de l'élément
déformable. Cette portion de fibre optique comporte au moins un réseau
optique, et un système
optique pour détecter les déformations subies par chaque réseau optique suite
aux variations de
pression subies par l'élément déformable.
Le capteur se distingue d'abord en ce qu'il comporte un dispositif prenant
appui sur un
deuxième élément rigide constituant le point de référence, pour appliquer une
précontrainte
réglable à la ou chaque portion de fibre (ce deuxième élément rigide étant de
préférence isolé
du milieu par le boîtier extérieur). Grâce à ce dispositif, la précontrainte
recherchée de la fibre
est aisément réglable localement
Suivant un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens de
précontrainte
prenant appui sur le deuxième élément rigide (tels qu'une ou plusieurs pièces
rigides que l'on
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peut écarter par rapport à ce deuxième élément) et des moyens de retenue
associés à deux
extrémités opposées de chaque portion de fibre qui coopèrent avec les moyens
de précontrainte
pour appliquer une précontrainte ajustable à cette portion de fibre.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens pour mettre
chaque
portion de fibre optique sous la forme d'une boucle ouverte formée entre
l'élément déformable
et les moyens dé retenue associés aux moyens de précontrainte.
A cet effet, il peut comporter un chemin servi-circulaire (formé par exemple
par la
gorge d'une portion de poulie dont l'axe est fixé à l'élément déformable)
associé à l'élément
déformable, les dits moyens de précontrainte s'appuyant contre une paroi du
deuxième
élément rigide.
Suivant un mode de réalisation, le dispositif comporte des moyens pour mettre
chaque
portion de fibre optique sous la forme d'un élément de fibre rectiligne formé
entre l'élément
déformable et le deuxième élément rigide, les moyens de précontrainte
s'appuyant contre ce
deuxième élément rigide.
Différentes variantes de réalisation peuvent être appliquées aux deux modes
précédents. Les moyens de précontrainte de la portion de fibre peuvent
comporter par exemple
une pièce de butée en appui contre le deuxième élément rigide, et des moyens
d'écartement
(par vissage par exemple) de la pièce de butée par rapport au dit deuxième
élément rigide, les
moyens de retenue de la portion de fibre optique étant associés à la pièce de
butée. Les moyens
de précontrainte peuvent comporter en outre des moyens de blocage de la pièce
de butée par
rapport au deuxième élément rigide.
Les moyens de retenue peuvent aussi comporter deux éléments mécaniques
d'accrochage adaptés à maintenir bloquée chaque portion de fibre
respectivement à ses
extrémités opposées, fixés l'un à l'élément déformable, l'autre, à une pièce
translatable par
rapport au deuxième élément rigide, et des moyens pour ajuster à une valeur
prévue la
précontrainte appliquée à la portion de fibre.
Les moyens de retenue peuvent comporter au moins une pièce de blocage
encastrée
dans la pièce de butée qui coopère avec au moins une surépaisseur locale de la
portion de fibre
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optique ou bien au moins une pièce sertie sur la portion de fibre, ou bien
encore des éléments
mécaniques d'accrochage adaptés à maintenir bloquée chaque portion de fibre
respectivement
à ses extrémités opposées, fixés l'un à l'élément déformable, l'autre, à la
pièce de butée, ou
bien encore au moins une pièce de blocage encastrée dans la pièce de butée
percée d'un trou
calibré, chaque portion de fibre étant associée à chaque pièce de blocage par
tout moyen connu
(notamment par collage).
Suivant un mode préféré de réalisation l'élément déformable comporte un culot
solidaire du corps et une partie déplaçable (telle qu'un soufflet avec des
ondulations de
différentes formes possibles: symétriques ou asymétriques, de forme
hélicoïdale, avec des
amplitudes d'ondulation des hélices intérieure et extérieure pouvant être
égales ou différentes)
solidaire du culot, et le deuxième élément rigide comporte un tube rigide
solidaire du culot et
intérieur au corps. Des moyens de protection sont de préférence ajoutés pour
limiter les
déformations de l'élément déformable.
Le capteur peut comporter une gaine extérieure réalisée en un matériau isolant
thermiquement.
Suivant un mode de réalisation possible, le corps est réalisé dans un matériau
à faible
conductivité thermique et les éléments du capteur à l'intérieur du corps sont
réalisés dans des
matériaux dont les conductivités thermiques sont choisies pour minimiser au
mieux la
formation de gradients thermiques entre eux.
Suivant un mode de réalisation préféré, le capteur comporte au moins un
deuxième
réseau optique sur une autre portion de fibre non soumise à précontrainte, de
façon à
compenser les variations de la contrainte dues à aux variations de
température.
Pour cornger au mieux les mesures de pression des effets de la température, le
capteur
peut comporter une pluralité de réseaux optiques répartis sur au moins une
portion de fibre non
soumise à précontrainte, pour détecter des gradients thermiques à l'intérieur
du corps, le
système optique étant adapté à combiner les mesures des différents réseaux.
Pour limiter au mieux les biais de mesures dus aux imperfections du système
d'accrochage il est préférable de toute façon que la longueur de base de la
portion de fibre
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S
optique précontrainte soit suffisamment grande. Il est préférable aussi que
les coefficients de
dilatation thermique des éléments constitutifs du capteur soient choisis pour
minimiser au
mieux les variations de longueur de la portion de fibre précontrainte sous
l'effet des variations
de température.
Le capteur selon l'invention peut être facilement aménagé pour mesurer des
variations
de pression relatives ou différentielles tout en gardant les mêmes facilités
de réglage de la
précontrainte appliquée à la ou chaque portion de fibre.
Suivant un premier mode de réalisation apte à mesurer la valeur absolue d'une
différence de deux pressions, le capteur comporte par exemple deux éléments
déformables
exposés d'un côté au milieu de référence et, du côté opposé, respectivement à
deux pressions à
mesurer, au moins une portion de fibre optique soumise à une précontrainte,
qui est reliée d'un
côté à l'un des éléments déformables et du côté opposé à une partie rigide de
l'autre, élément
déformable constituant le dit deuxième élément rigide et dont la contrainte
varie avec les
déplacements des deux éléments déformables, cette portion de fibre optique
précontrainte
comportant au moins un réseau optique.
Suivant un deuxième premier mode de réalisation apte à mesurer l'amplitude et
le signe
de la variation relative, le capteur comporte par exemple deux éléments
déformables exposés
d'un côté au milieu de référence et, du côté opposé, respectivement à deux
pressions à
mesurer, au moins deux portions de fibre optique soumises chacune à une
précontrainte
préalable, qui sont reliées d'un côté respectivement aux deux éléments
déformables et du côté
opposé à au moins un point de référence qui est fixe, et dont les contraintes
respectives varient
séparément avec les déplacements des deux éléments déformables, chacune de ces
portions de
fibre optique précontraintes comportant au moins un réseau optique.
Le capteur peut bien sûr comporter sur chaque fibre optique une pluralité de
réseaux
pour augmenter sa résolution.
On utilise par exemple des fibres optiques pourvues de réseaux de Bragg de
type
standard ou de type à saut de phase.
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Le capteur de pression selon l'invention est avantageux notamment en ce que
- la précontrainte recherchée de la fibre est aisément réglable localement par
écartement
d'un élément de blocage ;
- avec certains modes de réalisation décrits, il est possible sans
discontinuité ou dérivation
génératrice de réflexions, de répartir plusieurs capteurs en série à distance
les uns des
autres ; et
- les éléments mécaniques constituant le point fixe de référence se trouvent
de préférence à
l'intérieur d'un boîtier et bien isolés de la pression extérieure (non soumis
à des
déformations).
Présentation sommaire des figures
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention,
apparaîtront à la
lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif de réalisation,
en se référant aux
dessins annexés où
- la Fig.l montre schématiquement un premier mode de réalisation du capteur de
pression en
coupe axiale, comprenant une boucle de fibre optique précontrainte ;
- la Fig.2 est une vue en coupe radiale de la poulie contournée par la fibre
optique ;
- la Fig.3 est une vue en coupe de l'embase du tube intérieur ;
- la Fig.4 est une vue en coupe de la plaque de butée ;
- la Fig.S montre schématiquement une première variante du mode du capteur de
pression à
boucle de fibre, convenant pour une mesure de pression différentielle; et
- la Fig.6 montre schématiquement une variante du mode du capteur de pression
à boucle de
fibre, convenant pour une mesure de pression différentielle ;
- la Fig.7 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation du capteur
de pression
en coupe axiale, comprenant une portion de fibre linéaire précontrainte ;
- la Fig.8 montre schématiquement une variante du mode du capteur de pression
à portion de
fibre linéaire, convenant pour une mesure de pression différentielle ;
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- la Fig.9 montre schématiquement un mode de formation des réseaux optiques de
mesure
des variations de contrainte et de température, sur deux portions de fibre
optiques
couplées ;
- la Fig.lO montre schématiquement une variante du mode de la Fig.9 ;
- la Fig.ll montre schématiquement un deuxième mode de formation des réseaux
optiques
sur deux portions d'une même fibre optique ;
- la Fig.l2 montre schématiquement un mode de mesure multi-points des
gradients
thermiques à l'intérieur du corps du capteur ; et
- la Fig.l3 montre schématiquement un autre mode de précontrainte d'un élément
de fibre
rectiligne.
DESCRIPTION DETAILLEE
Le capteur selon l'invention est adapté à mesurer les variations de pression
dans un
milieu fluide. ll comporte essentiellement un boîtier tubulaire rigide
extérieur 1 contenant un
élément 2 déformable au moins suivant l'axe du boîtier sous l'action de
variations de pression,
un dispositif 3 de transmission d'effort (décrit plus loin) pour appliquer une
contrainte à au
moins une portion de fibre optique F1 pourvue d'au moins un réseau optique B1
constitué
d'un réseau de Bragg, mise sous contrainte entre l'élément déformable 2 et un
autre élément
fixe isolé du milieu par le boîtier rigide 1, et un système optique pour
détecter optiquement les
déformations subies par le réseau optique suite aux variations de pression
subies par l'élément
déformable.
De préférence le corps est inclus dans une gaine G réalisée dans un matériau
thermiquement isolant de façon à minimiser les effets sur les mesures, de
gradients thermiques
à l'intérieur du capteur. C'est utile dans toutes les applications où la
température du milieu
extérieur est faible ou le temps d'exposition du capteur à un milieu à
température relativement
élevée est court.
L'élément déformable 2 comporte un culot 4 fixé au boîtier 1 à l'intérieur de
celui-ci et
une partie déplaçable (mobile) dont la déformation est reliée de façon connue
aux variations de
la pression à mesurer. Il peut s'agir d'une membrane ou comme représenté dans
l'exemple
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préféré, d'un soufflet tubulaire 5 prolongeant le culot 4 vers l'intérieur du
boîtier 1 et terminé
par un fond 6. Le déplacement axial du fond 6 du soufflet est sensiblement
proportionnel aux
variations de pression. Son déplacement radial est faible. Ses variations
d'allongement sont
stables, ce qui assure une bonne reproductibilité des mesures au cours du
temps en fonction de
la pression et aussi de la température.
Si toutefois les variations d'allongement n'étaient pas stables, il est
possible d'ajouter
des points de mesure de température supplémentaires à l' aide de réseaux de
Bragg, tout le long
du corps du capteur, dont le nombre aura été déterminé à l'avance suivant la
précision de
mesure recherchée et selon une règle connue, de façon à quantifier l'effet des
dilatations
différentielles induites par un gradient de température et cornger les effets
sur la mesure de la
pression hydrostatique.
La forme et les dimensions du soufflet 5, le matériau dans lequel il est fait,
sont bien
entendu adaptés pour que le déplacement axial de la partie déformable soit
compatible avec les
possibilités de mesure du réseau de Bragg B1 utilisé et de l'appareil de
mesure associé, et avec
la gamme de pression à mesurer. Les parois du soufflet 5 peuvent être
d'épaisseur variable de
façon à limiter les contraintes vers l'intérieur dans les creux des
ondulations sâns pénaliser
l'amplitude des extensions axiales. Le soufflet peut être annelé, en dents de
scie, en créneaux,
etc. Les plis du soufflet 5 peuvent être. à symétrie axiale (former des
anneaux) ou bien encore
être formés en hélice pour faciliter la réalisation.
Un passage fileté 7 est ménagé au travers du culot 4, mettant l'intérieur du
soufflet 5 en
communication avec le milieu. La communication peut être directe ou bien
s'effectuer par
l'intermédiaire d'un tube T (s'adaptant sur l'ouverture filetée) plus ou moins
long reliant le
capteur au milieu où l'on mesure la pression P.
Le dispositif 3 comporte un tube rigide 8 disposé à l'intérieur du boîtier 1.
Le tube 8 est
fixé au culot 4 à une première extrémité et terminé par une embase 9 à son
extrémité opposée.
Le soufflet 5 est à l'intérieur du tube rigide 8. Des butées radiales 10
peuvent être disposées
entre la partie et le tube intérieur 8 pour limiter sa déformation radiale
sous l'action de la
pression extérieure et éviter les frictions. Dans le cas d'un soufflet, ces
butées radiales 10
peuvent être des bagues en deux parties logées dans les ondulations du
soufflet. Le tube
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intérieur 8 comporte également une butée axiale 11 de sécurité pour limiter
l'extension axiale
du soufflet sous l'effet de la pression extérieure.
I - Capteur à boucle de fibre précontrainte
Le fond ou base 6 du soufflet comporte un chemin serai circulaire 12 dans
laquelle on
fait passer une fibre optique 13. Le chemin 12 peut être délimité par exemple
par la gorge
d'une portion de poulie 14 (une demi- poulie par exemple) rapportée dans un
évidement
ménagé dans la paroi du fond 6 du soufflet 5. Cette portion de poulie, d'axe
orthogonal à l'axe
du soufflet, est maintenue en place sur le fond 6 évidé par des moyens de
fixation non
représentés car connus de l'homme du métier, comme par exemple des équerres.
ll est
également possible d'allonger sensiblement le fond rainuré 6 par rapport à la
représentation
non limitative de la figure l, de manière à ce qu'il atteigne la position de
l'axe de la poulie.
Dans ce cas, il faut alors reculer en conséquence la butée 11. La poulie et sa
gorge sont
dimensionnées de façon à induire le moins de frottements possibles, à la
laisser parfaitement
libre en rotation afin de limiter au mieux les erreurs de mesure qui en
découleraient. La poulie
14 est massive et rigide et assujettie rigidement à la paroi du fond 6, une
fois mise en place. La
portion de poulie 14 a un diamètre compatible avec l' atténuation du signal
optique due à la
courbure de la fibre, qui est acceptable pour ce type de mesure.
Le dispositif 3 comporte encore une plaque formant butée 15 disposée du côté
de
l'embase 9 opposée au soufflet 5. L'embase 9 et la plaque de butée 15 sont
pourvues
respectivement de trous 16, 17 désaxés latéralement et en regard les uns des
autres, permettant
le passage des brins de la fibre 13 sortant de part et d'autre de la poulie
14. Des moyens 18 de
blocage de la fibre sont utilisés pour solidariser la fibre au niveau des
trous 17.
Ces moyens de blocage 18 peuvent comporter par exemple des surdimensionnements
S
locaux du coeur de la fibre sous la forme d'une boule ou sphère coopérant avec
des éléments
tubulaires de diamètre intérieur restreint 19 venant se loger dans les trous
17 de la plaque de
butée. Ces moyens de blocage 18 peuvent aussi comporter par exemple des
éléments
mécaniques tels que des viroles (non représentées) serties sur la fibre,
venant se bloquer dans
les trous 17 de la plaque de butée 15.
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On peut encore coller la fibre optique dans des pièces telles que les éléments
tubulaires
19 pourvues en leur centre d'un trou calibré de diamètre légèrement supérieur
au diamètre
extérieur de la fibre optique, de façon à limiter le biais de mesure induit
par le cisaillement
sous effort de la colle et du gainage de la fibre, ce diamètre du trou étant
suffisant pour
5 permettre à la colle de s'écouler au travers.
Le biais de mesure introduit par le cisaillement de la gaine ou de la colle,
que le fibre
optique soit maintenue par quelque solution que ce soit, peut être réduit en
augmentant la
longueur de base de la fibre précontrainte F1 d'une longueur suffisante, cette
erreur étant au
premier ordre, inversement proportionnel à cette longueur.
10 ll est possible encore d'utiliser un blocage de type cabestan en refermant
une ou
plusieurs fois la boucle de fibre sortant du chemin serai-circulaire (autour
de la poulie 14) par
une contre-poulie à proximité.
La plaque de butée comporte plusieurs alésages pour des vis de tension 20
venant en
appui contre l'embase 9, permettant d'écarter la plaque de butée 15 de
l'embase 9 et ainsi
mettre en précontrainte la fibre dans sa partie F1 contenue dans le tube
intérieur rigide 8.
C'est dans cette partie que la fibre optique sous contrainte comporte au moins
un réseau
optique B1 (réseau de Bragg par exemple) dont les déformations sous l'effet
des variations de
la pression à mesurer, sont transformées en signaux de mesure par le système
optique 25. Une
ou plusieurs vis de blocage 21 permettent de bloquer la plaque de butée 15 par
rapport à
l'embase 9 après mise en précontrainte de la portion de fibre F1.
La base 6 est suffisamment épaisse pour rester pratiquement indéformable quand
le
soufflet se déforme. Cette base peut être rapportée (par soudage par exemple)
à l'extrémité du
soufflet. Cette partie rapportée peut inclure la portion de poulie 14 servant
au renvoi de la fibre
optique vers la butée de contrainte 15.
Outre le premier réseau de Bragg B1 sensible à la fois aux variations de
contraintes et
aux variations de température, la fibre comporte de préférence, au moins un
deuxième réseau
de Bragg B2 dans une portion F2 non soumise à une contrainte, comme on le
verra en relation
avec les Fig.9-11. Cela permet de mesurer les variations locales de
température et
incidemment leur gradient si le nombre de réseaux est suffisant, et d'éliminer
les dérives des
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mesures de pression obtenues grâce aulx) réseaux) optiques) Bl sous l'effet
des variations de
la température.
A son extrémité opposée au culot 4, le boîtier cylindrique se raccorde à un
tube de
raccordement 22. Ce tube est par exemple en inox. Quand le boîtier est exposé
extérieurement
à la pression à mesurer, le tube 22 est soudé au boîtier ou bien raccordé à
lui par un raccord
étanche à la pression. Par contre, un raccord simple suffit lorsque le capteur
n'est pas exposé
directement avec le milieu et reçoit la pression à mesurer par l'intermédiaire
d'un tube T
connecté au culot 4.
Les deux brins de la fibre F entrant et sortant du tube 8 sont connectés par
des
connecteurs optiques 23 d'un type connu ou préférentiellement soudés à des
fibres de
transmission 24 passant à l'intérieur de ce tube de raccordement 22 et sont
reliées à un appareil
de mesure optique d'un type connu 25 adapté à transformer les déformations de
la portion de
fibre Fl en mesure des variations de la pression du milieu. Le volume
intérieur du boîtier 1 est
mis par exemple à une pression de référence qui peut être par exemple la
pression
atmosphérique transmise par l'intérieur du tube de raccordement 22.
Le tube intérieur rigide 8 n'est pas en contact avec la paroi intérieure du
boîtier 1
susceptible de se déformer sous l'action de la pression extérieure. Ainsi, les
variations de
distance entre le fond de l'élément déformable 2 et le tube intérieur 8
assujetti au culot 4 dudit
élément, ne risquent pas d'être affectées par les variations de pression à
l'extérieur du boîtier
1.
On a décrit un mode de réalisation où l'on utilisait un tube intérieur 8 isolé
des
déformations possibles dues aux effets de la pression extérieure s'exerçant
éventuellement
autour du boîtier 1. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en
mettant la plaque de
blocage 15 directement en appui contre la paroi du boîtier dans le cas où
cette paroi soit n'est
pas exposée à des variations de pression, soit est suffisamment massive pour y
résister.
On considère par exemple le cas d'une fibre à réseaux de Bragg standard de
125,um de
diamètre, hors gainage. En l'absence de toute pression appliquée sur l'élément
déformant, la
fibre est mise sous contrainte permanente avec une force par exemple de
l'ordre de 0.5 daN,
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dans la limite de l'allongement admissible de la fibre qui est de l'ordre de
0.5% pour les
durées d'exploitation envisagées, compte tenu du vieillissement de la fibre
optique mise sous
contrainte. La forme et les dimensions du soufflet sont choisies pour qu'à la
pression
maximale à mesurer la contrainte résiduelle soit réduite de moitié par
exemple. Toute
augmentation de la pression du milieu se traduit par une diminution de la
contrainte, un
raccourcissement de la portion de fibre F1 et corrélativement une modification
de la
déformation du réseau optique Bl, que le système de mesure 25 associé va
mesurer. Durant
toutes les phases d'expositiôn à des pressions, les contraintes exercées sur
la fibrè sont plus
faibles, ce qui contribue à diminuer les effets du vieillissement et donc à
allonger la durée de
vie du capteur
Le réglage.du zéro du capteur est effectué pour la contrainte maximale
appliquée. Si le
zéro se décale, du fait d'une variation de la précontrainte initiale, on peut
facilement la corriger
par action sur la plaque 15.
En corrélant de manière connue, les variations affectant le réseau B1 sensible
à la fois à
la pression et à la température, et le réseau B2 sensible uniquement à la
température, on obtient
les mesures séparées de l'une et de l'autre.
I-1 Capteur de pression différentielle
Le capteur de pression qui vient d'être décrit peut fonctionner en capteur
différentiel en
mettant l'intérieur du boîtier en communication avec une contre-pression par
rapport à laquelle
on veut mesurer les variations de la pression du milieu. Ceci n'est possible
que si le milieu
exerçant la contre-pression n'est pas susceptible de détériorer la fibre
contrainte, son
mécanisme 3 de précontrainte et les fibres de communication 24.
Dans le cas contraire, on utilise deux capteurs de pression identiques chacun
avec un
élément déformable, un ensemble de précontrainte d'une fibre comportant au
moins un ou
deux réseaux optiques et séparément reliés à un même appareil de mesure adapté
à combiner
les mesures des deux capteurs pour en déduire la différence de pression entre
leurs mesures.
Suivant la variante schématisée à la Fig.S, le capteur de pression
différentielle
comporte, dans un boîtier unique 1, un compartiment central 26 où règne une
pression de
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référence stable Po et deux compartiments latéraux 27, 28 communiquant
respectivement avec
deux milieux sous des pressions respectives P1, P2. Les deux compartiments
latéraux 27, 28
sont séparés respectivement du compartiment,central 26 par des soufflets 30,
31 analogues au
soufflet 5 précédent. Un dispositif 3 (analogue au dispositif 3 précédent)
permet de former et
de mettre sous contrainte entre les deux soufflets 30, 31, une boucle ouverte
de fibre optique
F1 pourvue d'au moins deux réseaux de Bragg Bl, B2 (dans des arrangements tels
que ceux
illustrés aux Fig.9-11) à partir d'une fibre F pénétrant dans le compartiment
central 26, reliée à
un système de mesure optique analogue au système 25. Ce mode de réalisation
convient dans
les applications où l'on ne s'intéresse qu'à la mesure de la valeur absolue de
la différence de
pression IP2 - P1I .
Dans la variante schématisée à la Fig.6, on utilise deux capteurs de pression
identiques
éventuellement dans un même boîtier 1, chacun avec un élément déformable tel
qu'un soufflet
30, 31, un dispositif de précontrainte 3A, 3B d'une portion de fibre optique
Fl formée en
boucle ouverte et comportant au moins un ou de préférence au moins deux
réseaux optiques
B1, B2, qui sont séparément reliés à un même appareil de mesure 25 adapté à
combiner les
mesures des capteurs pour en déduire la différence de pression positive ou
négative entre leurs
mesures respectives.
II Capteur de pression à portion de fibre rectiligne précontrainte
Dans le deuxième mode de réalisation de la Fig.7, les mêmes références
numériques
désignent les mêmes éléments que dans celui de la Fig.l. ll diffère du premier
essentiellement
en ce que la portion de fibre F1 formée en boucle est ici remplacée par une
portion de fibre
rectiligne précontrainte F' 1. A une première extrémité, elle est maintenue
bloquée dans un
premier élément d'accrochage mécanique d'un type connu 32 fixé au fond 6 du
soufflet
tubulaire 5. A son extrémité opposée, la portion de fibre F' 1 est maintenue
bloquée dans un
deuxième élément d'accrochage 33 fixé à la plaque de butée mobile 15. La
précontrainte de la
fibre est obtenue par écartement de la plaque de butée par rapport à l'embase
fixe 9 du tube
intérieur 8. De la même manière, un premier réseau de Bragg B 1 est formé sur
la portion de
fibre F' 1, et un deuxième réseau B2 est formé sur une autre portion non
contrainte de la fibre
(cf. Fig.9-11). A noter que le nombre de réseaux peut être augmenté pour
augmenter la
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précision des mesures, qu'il s'agisse de mesures de pression ou de mesures de
température, et
calculer leurs gradients.
Pour maintenir la portion de fibre Fl sous contrainte, on peut, comme élément
d'accrochage 32, utiliser là aussi des pièces telles que les éléments
tubulaires 19 (cf. Fig.l)
pourvues en leur centre d'un trou calibré de diamètre légèrement supérieur au
diamètre
extérieur de la fibre optique, et immobiliser les extrémités de la portion de
fibre par collage. Le
diamètre du trou étant suffisant pour permettre à la colle de s'écouler au
travers. De cette
façon, on limite le biais de mesure induit par le cisaillement sous effort de
la colle et du
gainage de la fibre.
De la même façon, l'augmentation d'une longueur suffisante selon une règle
connue de
la longueur de base de la fibre optique précontrainte F1 permet de réduire ces
biais de mesure.
Suivant le mode de réalisation de la Fig.l3, le tube 8 est ici ouvert à son
extrémité
opposée à celle en appui sur le culot 4 (Fig.l). Un premier élément
d'accrochage A1 de la
portion de fibre F'1 est solidaire pareillement du fond 6 du soufflet 5.
L'élément d'accrochage
opposé A2 de la portion de fibre, est solidaire d'une pièce cylindrique 34
comprenant une tête
35 de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur du tube 8, et
un prolongement
cylindrique 36 fileté sur une partie de sa longueur, lui-même prolongé par un
embout 37. Un
canal axial 38 traverse la pièce 34 de part en part, permettant le passage de
la fibre vers
l'extérieur. Quand la pièce 34 est engagée dans le tube 8, on ferme le tube 8
derrière elle, par
une plaque annulaire 39 que l'on fixe au tube 8 par des vis de fixation
radiales 40. Des
rondelles de type Belleville sont interposées entre la tête 35 et la plaque
34. Un écrou 42 vissé
sur la partie filetée 36 de la pièce 34, permet, en faisant reculer celle-ci
d'exercer une
précontrainte réglable sur la portion de fibre F'1. Durant le serrage, on
maintient l'embout 37
de façon que la portion de fibre précontrainte ne subisse aucune torsion.
Quand la
précontrainte est réglée à la valeur prévue, des vis radiales 43 permettent
d'immobiliser la
pièce cylindrique 34 par rapport au tube 8. L'écrou 42 peut être immobilisé
ensuite par un
contre-écrou non représenté.
Le réseau de Bragg B2 permettant de compenser en température les variations de
longueur de la portion de fibre F'1 mesurées par le réseau de Bragg B1, peut
être placé sur une
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portion de fibre raccordée (par un connecteur C) ou soudée en dérivation à la
fibre F'2 non
précontrainte. Il est également possible de mettre ce réseau B2 en série avec
le réseau B 1 sur
une portion non précontrainte de la fibre, le plus près possible de celui-ci
de préférence.
La longueur de la fibre optique F'1 entre les éléments d'accrochage A1, A2
peut être
facilement modifiée en changeant la longueur du tube 8. Ceci permet de
minimiser l'influence
d'un glissement éventuel de la portion de fibre précontrainte F'1 à
l'intérieur des éléments
d'accrochage et d'augmenter la résolution du capteur.
II-1 Capteur de pression différentielle
Dans la variante schématisée à la Fig.B, on utilise deux capteurs de pression
identiques
10 éventuellement dans un même boîtier 1, chacun avec un élément déformable
tel qu'un soufflet
30, 31, un dispositif de précontrainte 3A, 3B d'une portion de fibre optique
rectiligne F1,
précontrainte chacune entre deux éléments d'accrochage 32, 33, qui comporte au
moins un ou
de préférence au moins deux réseaux optiques B1, B2, et sont séparément reliés
à un même
appareil de mesure 25 adapté à combiner les mesures des deux capteurs pour en
déduire la
15 différence de pression positive ou négative entre leurs mesures
respectives.
III) Montage des capteurs
Le deuxième réseau de Bragg B2 doit impérativement être formé sur une portion
de
fibre optique libre de toute contrainte de façon à ne déceler que les
variations liées uniquement
aux variations de la température. On utilise par exemple un montage tel que
ceux illustrés
schématiquement aux Fig.9, 10, où le deuxième réseau B2 est formé au voisinage
de
l'extrémité d'une portion de fibre F3 raccordée à la portion de fibre Fl (mise
sous contrainte
entre les deux points A1, A2), par un coupleur optique C d'un type connu. La
portion de fibre
où le réseau B2 est formé, peut être installé librement dans un microtube
(Fig.9) ou bien
encore collé précontraint dans un tube métallique (Fig.lO). Si l'on dispose de
suffisamment de
place pour mettre le réseau de Bragg B2 sur la même fibre que le réseau B1, on
peut adopter le
mode de réalisation de la Fig.ll. Le réseau B2 est ici sur l'extrémité de la
portion de fibre F1
extérieurement à la portion de fibre contrainte entre les deux points A1, A2.
Ce mode de
réalisation évite l'utilisation d'un coupleur optique C qui provoque des
pertes bptiques
importantes.
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IV) Améliorations de la précision des mesures
IV-1 Sensibilité du capteur
Pour améliorer la sensibilité du capteur, il est possible de multiplier le
nombre de
réseaux et le nombre de fibres optiques, la résolution s'améliorant comme ~~-
où n est le
n
S nombre de réseaux utilisés pour fournir la mesure.
Pour limiter les biais de mesures introduits par les imperfections des points
d'accrochage de la fibre précontrainte Fl, F'1, on a intérêt à augmenter au
mieux sa longueur
les biais de mesures étant, au premier ordre, inversement proportionnels à
cette longueur.
1V-2 Corrections des biais de mesure dus aux contraintes thermiques
Le corps 1, le tube intérieur rigide 8, le culot 4 qui sert de référence fixe
pour les
mesures d'allongement et le soufflet 5 qui lui est attaché, n'ont pas la même
longueur et par
conséquent ils présentent des dilatations différentes, ce qui peut avoir pour
effet d'imposer des
contraintes différentielles parasites à la portion de fibre précontrainte F1.
On peut les
minimiser par un choix judicieux des matériaux utilisés pour les réaliser
respectivement, de
manière que la distance entre le culot 4 et le fond 6 du soufflet 5 ne
dépendent que des
variations de pression s'exerçant sur le soufflet.
Si D et L sont les distances inégales par rapport au culot 4 (Fig.l)
respectivement des
points d'accrochage A1 et A2, on a intérêt à choisir les coefficients de
dilatation kl, k2 des
métaux constituant respectivement le soufflet 5 d'une part et le tube 8
d'autre part de façon que
D ~ k,
D'une manière générale, les matériaux constitutifs des différentes pièces du
capteur
sont choisis en fonction de leur coefficient de conductivité thermique c de
façon à diminuer les
échanges thermiques avec le milieu extérieur et éviter la formation de
gradients thermiques à
l'intérieur du capteur. Ainsi, on choisit des matériaux de grande conductivité
thermique pour
les pièces à l'intérieur du capteur, et des matériaux avec une conductivité
thermique plus faible
pour les pièces en contact thermique avec le milieu extérieur.
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Si la compensation obtenue est estimée insuffisante, compte tenu de la grande
précision
des mesures recherchée, on peut introduire des compensations supplémentaires
par le biais de
mesures systématiques de la dilatation thermique spécifique de chacune des
pièces intérieures
du capteur, au moyen par exemple d'autres réseaux de Bragg.
Sur le schéma simplifié de la Fig.l2, on interpose entre chaque soufflet 5 et
le corps 1
ou le tube rigide intermédiaire 8 (Fig.l), une portion de fibre optique F3 non
contrainte le long
de laquelle sont inscrits plusieurs réseaux BT1, BT2, ..., BTn, permettant de
mesurer
précisément les variations thermiques des diverses pièces, cette portion de
fibre étant
raccôrdée à la portion de fibre contrainte Fl par un coupleur optique C. Le
système optique 25
est adapté à combiner les mesures des différents réseaux B2 pour engendrer la
correction fine à
appliquer aux mesures de la pression produites par chaque réseau B 1.
~ Mesures de pression multipoints
Plusieurs capteurs de pression analogues peuvent être mis en série sur les
fibres de
transmission 24 reliées au système de mesure 25 ; chacun, de par le pas
spécifique des réseaux
de Bragg B 1, B2 qui y sont gravés, possède une individualité qui permet de
discriminer par
multiplexage, sa contribution propre dans le spectre de lumière renvoyé par
les différents
capteurs, vers l' appareil de mesure de mesure 25.
VI) Isolation du soufflet par rapport au milieu de mesure
II est possible que le milieu où le capteur est plongé soit corrosif
(corrosion chimique
ou électrochimique par exemple) au point de changer les caractéristiques de
l'élément
déformable (membrane, soufflet) ce qui risque de fausser les mesures. II est
possible dans ce
cas d'isoler le soufflet du fluide extérieur en utilisant un fluide
intermédiaire assurant la
transmission de pression. Ce fluide intermédiaire est isolé du fluide
extérieur corrosif par une
membrane ou un soufflet déformable constitué d'un matériau résistant au fluide
corrosif et qui
est en équipression avec le fluide corrosif pour lequel on mesure la pression
