Temps de réponse et mesure de gradient de température

La qualification des réseaux de Bragg régénérés comme capteurs de température n’est plus à proprement parler l’étude des caractéristiques intrinsèques des réseaux de Bragg régénérés mais de l’ensemble des constituants du capteur réalisé à partir d’un réseau régénéré. En effet, le temps de réponse et la mesure de gradient dépendent de la capacité et de la conductivité thermique du capteur dans son ensemble. Le conditionnement des réseaux est donc un facteur clé non seulement pour la fiabilité mécanique de la ligne de mesure mais aussi pour garantir les bonnes performances des capteurs.

1. Conditionnement des réseaux de Bragg régénérés.

Soumises à de hautes températures (>900°C dans notre cas), les fibres optiques deviennent extrêmement cassantes. En refroidissant, des défauts se figent tout au long de la

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fibre, ce qui se traduit par une augmentation de l’atténuation optique de la fibre (≈ 0,2 dB\m) et une fragilisation mécanique de sa structure. La fibre est alors particulièrement sensible aux contraintes de cisaillement et se brise lors de manipulations directes, mais reste malgré tout résistante en traction. Il est donc nécessaire de la conditionner pour une utilisation comme capteur.

Nous avons choisi de conditionner les fibres avant régénération afin de limiter les manipulations de la fibre nue une fois son revêtement brûlé par la phase de régénération. Les fibres optiques et leurs différentes gaines de protection mécanique sont insérées dans un flexible métallique. La partie sensible de la fibre est positionnée dans un capillaire métallique de 400 µm de diamètre intérieur et 1 mm de diamètre extérieur. Des reprises d’effort font la jonction entre les différentes parties du capteur.

2. Dispositif de mesure du temps de réponse

Pour évaluer le temps de réponse des « thermomètres » optiques, nous les avons soumis à un échelon de température par immersion dans un liquide. Le temps de réponse du capteur dépend de plusieurs paramètres :

- la conductivité thermique du liquide d’immersion ;

- la conductivité et la capacité thermique du capillaire métallique (14,8 W.m-1.K-1 à 23 °C, à titre de comparaison la conductivité thermique de l’aluminium est de 220 W.m- 1

.K-1 à 23 °C)

- l’épaisseur de la lame d’air entre le capillaire et la fibre optique ; - la conductivité et la capacité thermique de la fibre optique.

Nous avons utilisé du sodium liquide à 500 °C comme liquide d’immersion. Sa conductivité thermique très importante (67,2 W.m-1.K-1 à 500 °C, à titre de comparaison l’eau a une conductivité thermique de 0,6 W.m-1.K-1 à 23 °C) en fait un fluide caloporteur efficace. En raison de la forte réactivité du sodium, l’expérience a été réalisée dans une boite à gants au CEA de Cadarache. La température de l’air au sein du pot de sodium liquide était de 49,5 °C. Nous avons imposé un échelon de température de 450 °C aux réseaux régénérés par une immersion manuelle de la canne de mesure.

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Figure 22 : Estimation du temps de réponse d’un capteur à réseau de Bragg régénéré, par l’immersion manuelle dans un pot de sodium liquide à 500 °C, soit un différentiel de 450 °C

avec la température ambiante avant immersion.

Lors de l’immersion, un phénomène de cavitation se forme sur la paroi du capillaire freinant le contact direct entre le capillaire et le sodium liquide. Le temps de réponse de capteur a été estimé à 144 ms. Le conditionnement de la fibre optique a donc été validé pour une utilisation de type capteur. Il permet de maintenir une bonne fiabilité mécanique de la sonde sans nuire au temps de réponse des réseaux de Bragg. La mouillabilité du conditionnement a aussi un effet sur le temps de réponse du capteur. Comme nous pouvons le voir sur la Figure 23 en observant la chronologie des plongées du capteur dans le sodium, le temps de réponse de la sonde évolue selon l’historique et non selon la température du sodium. La plongée du capillaire à des températures importantes augmente sa mouillabilité, une fine pellicule de sodium se dépose à la surface du capillaire et permet d’obtenir de meilleurs résultats même à plus basse température.

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Figure 23 : Temps de réponse d’un capteur à réseau de Bragg régénéré, conditionné dans un capillaire d’inconel de 0,3 mm et 1 mm de diamètre intérieur et extérieur pour différents

échelons de température.

3. Mesure d’un gradient sur une ligne de réseaux de Bragg

L’un des avantages des capteurs fibres optiques à réseaux de Bragg réside dans leur grande capacité de multiplexage. Pour la mesure de température par exemple, alors que classiquement il faut autant de thermocouples que de points de mesure, ce qui augmente d’autant l’encombrement et la complexité de la chaine d’acquisition, une ligne de réseaux de Bragg peut suffire.

Pour démontrer la capacité de mesure d’un gradient, une ligne de réseaux de Bragg a été montée dans le même conditionnement que précédemment. La faible conductivité thermique (14,8 W.m-1.K-1 à 23 °C) du capillaire métallique permet la mesure d’un gradient de température. Nous avons donc placé la ligne de mesure dans un four de calibration au sein d’une zone de gradient important. Une mesure comparative du gradient de température a été réalisée grâce à un bundle de thermocouple de type N. Dans le cadre de cette application, la sonde de réseaux de Bragg permet la mesure de profils de température, sur une seule voie pour des gradients de température de plus de 100 °C/cm.

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Figure 24 : Mesure d’un gradient au sein d’un four par une ligne de réseaux de Bragg multiplexés