Capteur de CO2 à fibres optiques par absorption moléculaire à 4,3 μm

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Submitted on 1 Jan 1996

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Capteur de CO2 à fibres optiques par absorption moléculaire à 4,3 µm

S. Bendamardji, Y. Alayli, S. Huard

To cite this version:

S. Bendamardji, Y. Alayli, S. Huard. Capteur de CO2 à fibres optiques par absorption moléculaire à 4,3 µm. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1996, 6 (4), pp.491-503. �10.1051/jp3:1996137�.

�jpa-00249472�

Capteur de C02 h fibres optiques _par absorption mo14culaire h

4,3 _~m

S. Bendamardji _(~>*), Y. Alayli _(~>**) et S. Huard (~)

(~) Laboratoire des Surfaces des Couches Minces, (cole _{Nationale Supdrieure de Physique de} Marseille, Domaine Universitaire St-Jdr6me, 13397 Marseille Cedex 20, France

(~) Division Machines, Systbmes et Procddds, Universitd de Technologie de Compibgne, Centre de Recherche Royallieu, BP 649, 60206 Compibgne Cedex, France

(Regu le 22 juin 1995, acceptd le 16 janvier 1996)

PACS.07.60.j Optical instruments and techniques PACS.42.81.I Fiber optics

R4sum4. Cet article ddcrit _un capteur h fibres optiques de gaz carbonique _par absorption moldculaire dans l'infrarouge _moyen (4,3 pm) correspondant _au mode fondamental _v3. La liaison

entre le site de _mesure et le site de contr61e est assurde _{par une} fibre optique standard 50/125

aprbs _une transposition de longueur d'onde de 4,3 _~lm h 860 _{nm par} opto-alimentation. La simulation de l'absorption _a AtA obtenue _par moddlisation originale du spectre d'absorption et

l'dtablissement des courbes d'dtalonnage prdvoit _{une marge} d'erreur minimale de 100 ~lbar, _ce qui est suffisant pour l'application du dispositif h la rdgulation de taux de C02 dans les

serres

agricoles enrichies _{par ce gaz.}

Abstract. This paper describes _a remote optical fibre _sensor for the carbon dioxide detection

by molecular absorption in the _near infrared (4.3 _~lm) corresponding to fundamental mode _v3.

To _overcome the problem of the strong attenuation signal of optical fibre in the _near infrared,

we have used the opto-suppling technique which changes the working wavelength from 4.3 _~lm to 860 _nm and permits the _use of standard optical fibre 50/125. The simulation of absorption

has been obtained by original modelisation of the absorption spectrum and the establishment of the calibration _curves takes to the _sensor to detect _a partial _pressures greater ^{than 100} pbar

with _a minimal

error margin of100 pbar, which is acceptable considering the future

use of the

device. The

sensor has been designed to monitor the C02 rate in enriched greenhouses.

Introduction

Les capteurs h fibres optiques CFO par absorption molAculaire dans l'infrarouge sont particu- liArement intAressants pour la dAtection des hydrocarbures notamment le gaz m4thane, _pour lequel des rAseaux de dAtection ont pu Atre rAalisAs _sur des _rayons d'action de 20 km [1j, ^les

fibres optiques sont utilis4es _{pour assurer} la liaison entre les sites de contr61e et de _mesures et offrent ainsi la possibilitA du multiplexage _optique.

(")Est actuellement enseignant-chercheur h l'lnstitut d'(lectronique, Universitd de Sciences et

Technologie de Blida, BP 270-Douiret, 09000 Blida, Algdrie

("") Auteur auquel doit Atre adressde la correspondance (Fax _: (33) 44 20 48 13)

© Les (ditions _de Physique 1996

L'application de _ces capteurs pour contr61er et rAguler le taux de gaz carbonique dans les

serres agricoles, artificiellement enrichies _{par ce gaz et} dont la _gamme de pression partielle

h _mesurer varie de 200 /~bar _pour les _serres appauvries _en pAriode d'illumination et peut

atteindre 1300 /~bar _pour les _serres enrichies, _pose des problAmes d'adaptation. En effet la faiblesse de l'intensitA des raies d'absorption du gaz carbonique dans la _zone de transparence des fibres optiques (1-2 ~lm) nous contraint h choisir d'autres bandes spectrales se situant dans

l'infrarouge _moyen h 4,3 _~lm. Enfin la transposition de longueur d'onde de 4,3 _~lm h 860 _nm par opto-alimentation permet de rAsoudre les problAmes posAs _par l'att4nuation importante des fibres standards h cette longueur d'onde _{et par} la limitation de la distance de _mesure suite 1

l'att4nuation importante des fibres _{en verre} fluorA (BrF4- BaF3-LaF3-AlF3) transmettant dans

l'infrarouge _{moyen, au} dell de 4 /~m, mais _sur quelques mAtres seulement.

1. Mod41isation de l'absorption

Les CFO h absorption optique des molAcules dans l'infrarouge consiste _{en une source} optique,

une cellule de gaz ^et un systAme de d4tection, reliAs _{par une} fibre optique. ^La loi de Beer- Lambert traduit analytiquement le phAnomAne d'absorption _et donne une bonne approximation du signal transmis, elle est donnAe par la relation suivante

Sri))

= So(I)e~~~~~P ^~~ (1)

sa linAaritA est assurAe lorsque k(I)p _{Lg <} 1 [2]

Sri>)

= Soll)li kll)P _{Lgl 12)}

oh Sri)) et Sol)) sont respectivement le signal _{re~u par} le photodAtecteur _{pour une} longueur

d'onde et celui _en l'absence du gaz absorbant, k(I) est le coefficient d'extinction de l'espAce

gazeuse en atm~~ cm-~, _{p est la pression partielle}

en atm (ou _en bar) et Lg ^la longueur du chemin optique d'absorption _{en cm.}

La molAcule C02 est triatomique, ^{le choix de la bande} spectrale d'absorption _{a pour} critAre

une longueur d'onde _se situant dans le proche infrarouge, ayant _une ^forte probabilitA d'absorp-

tion et _sans interfArence spectrale _avec d'autres AlAments tels que l'eau.

La figure 1 reprAsente le spectre d'absorption dans la bande du mode fondamental de vibra- tion _v3

" 2 349,14 cm~~ (4,257 /1m).

En considArant la rAponse spectrale du photod4tecteur, les pertes optiques du montage ainsi quo les pertes de transmission _par la fibre optique, l'application de l'approximation de la loi de Beer-Lambert _pour l'absorption optique, formule (2), donne l'expression de So et Sr

So "

/ / /

/ / /

w o 60

I I I

# _O,45

O,30

o,1 5

15 5

MRVENUMBEfi

Fig. 1. Spectre d'absorption du C02 du mode fondamental _{v3 par} transformde de Fourier. Rdsolu- tion 0,06 cm~~ h la tempdrature de 296 K et contient 524 000 points (Laboratoire de Spectroscopie

IRTF de St-Jdr6me-Aix-Marseille III).

[Absorption _spectrum of C02 of fundamental mode _v3 by Fourier transform. Resolution 0.06 cm~~

at the temperature ^of 296 K and containing 52,4000 points (Laboratoire de Spectroscopie IRTF de St-Jdr6me-Aix-Marseille III).]

L'expression donnant le signal ^absorb4 s'obtient

Sabs " So Sr

=

/ / /

Z(I) coefficient de pertes optiques du montage

B(I) luminence AnergAtique ^de la _source (W/m~ _sr nm)

R(I) rAponse spectrale du photodAtecteur (V/W)

of(I) coefficient de pertes ^{de la fibre} optique (m~~)

Lf longueur du cable optique utilisA (m)

C02~(1), C02~ Ii) spectres ^de transmission et d'absorption du C02

S aire de la surface (missive de la _source (m~)

Q angle solide dAterminA _par la _source point et l'angle d'ouverture du photodAtecteur (sr).

La modAlisation du spectre C02(v3) consiste I faire _une digitalisation du spectre expArimen- tal _en considArant chaque raie _comme ind4pendante,avec _sa fr4quence et _son intensit4 _propre.

+ _hAodk1e A stuil O Gibscn + _Eieamer A Gomy

W6sentk Wyatt Piwiuissi

Plass

iQ2 (%)

f _#/~

io' ^{o o o o}

o

+

~ ⁺

iO°

* + +

a +

lO~'

+ + +

~~-2

lo° lo~ lo~ lo~ lo~ lo~ lo~ lo? lo~

~) P(co~) (~b3r)

~ Coefficient d'extinction ~ (atm- I-cm-I) I O

A *

A A

+ + + +

*

+ + + +

j ~ ⁱ

+ A

lO°

A

lo-i

I O ^-~

lO~~

lo° lo' lo~ lo~ lo~ lo~ lo~ lo? lo~

Fig. 2. Absorption relative A et coefficient d'extinction k _en atm~~ cm~~

en fonction de la pression partielle du C02 _en ~lbar h 4,3 _~lm (Lg ₌ 70 mm), comparaison des diffdrents modbles thdoriques (+) prdsent modble, ill) Stull-Wyatt-Plass, lo) Gibson-Pierluissi, (+) Elsasser _et IA) Goody. Les modbles

sont sensiblement _en bon accord pour les pressions dlevAes sauf celui d'Elsasser qui diverge, _en revanche pour les faibles pressions, notre modble est _en accord _avec les deux modAles de Goody et d'Elsasser.

[Relative absorption A and extinction coefficient in atm~~ cm~~

versus the partial _pressure of C02 in

~lbar at 4.3 _~lm (Lg ₌ 70 mm). Comparison of different theoretical models _: (+) _present model, la) Stull-Wyatt-Plass, lo) Gibson-Pierluissi, (+) Elsasser and IA) Goody. The models _are in agreement with _our model for high _{pressures except} the Elsasser model which diverge, at the contrary and for weak _{pressures our} model is in agreement ^{with the} two models of Goody and Elsasser.]

Bouteilles de gaz, mesure de pression Chambre d'absototion, ddtection, amplification

Airpmlam _Rwge

DELInASSbP PDPbseoulnsb

R£semok

cable coaxial

Opto~alimentation, c#ble optique, visualisation

Table Tragan~

Aficro-lhdh~a<eur ~°

DELGaAlM860nm

Fig. 3. Montage expdrimental _pour l'dtalonnage du capteur ^de _gaz carbonique h fibre optique rd-

sumant les trois (tapes nAcessaires h l'Atalonnage. Dans notre expArimentation, la phase de rAgulation

de la pression du C02 dans la chambre d'absorption n'a pas AtA effectuAe, elle _a AtA remplac6e _par

la variation de la distance d(E-R) h pression partielle fixe de C02 correspondant ^h 350 ~lbar h la

tempArature de 296 K _en accord _avec la formule (11).

[Experimental set-up for the calibration of carbon dioxide optical fibre _sensor. In _our experimentation, the regulation of the C02 partial _pressure in the absorption cell _are not accomplished, it has been

remplaced by _a variation of the distance d(E-R) at constant partial _pressure corresponding to 350 ~lbar

and at 296 K according to formula (11).j

194 raies ont AtA ainsi prises _en compte au total, dont 31 raies R et 34 raies P de type (v3) et 129 raies de l'harmonique _(v2 + v3) (v2) s'4talant de 4190 h 4 441 _nm et ayant _une intensitA Si sup4rieure h 10~°>~ atm~~ cm~2 d'aprAs les spectres ^de la NASA [3]. L'absorption totale A est, alors, la _somme de l'absorption de chaque raie, elle peut Atre exprimAe _par la relation

suivante

ill, +50

B(l~)R([)

/

(1 ^{e~~~~~P~~ dl} A is~)

= sobs/s°

= 11 ~l~"~~°~~ ¹⁶⁾

~

/

~,nf

l~ longueur d'onde centrale de la raie considArAe (nm)

a, nombre d'onde central de chaque raie (cm~~) et _a~

= 1/l~

Lg ⁷⁰ mm est la longueur du chemin optique )sup ₌ 4, 190 _nm et lint

= 4,441 _nm

~~°~~

Fenltre rEL

lR_en Ge 4,2-pm

~~ _~

X

15 Lg Y

Cryos<at m£tallique

Fig. 4. Architecture de l'Ametteur-rAcepteur primaire et illustration des diffdrentes distances mises

en jeu _pour retrouver d(E-R) et Lg. La platine _{a un} ddplacement maximal de 18 _mm, chaque sdrie de

mesure consiste h enregistrer 35 points _{avec un pas} ^de 0,5 _mm. Lg ₌ (do + 8,5) _mm et d (E-R) ₌

(do 19,5) _mm.

[Transmitter-receiver design and illustration of different distances to find d(E- R) and Lg. The support has _a maximal displacement of18 _mm, in each series of _measure 35 points _are recorded with _a step of 0.5 _mm. Lg ₌ (do + 8.5) _mm and d(E-R)

= (do 19.5) mm-j

Pour chaque raie, k(a~) peut Atre reprAsentA _{par une} forme lorentzienne

kiai)

= j~~

Ill]

+ ~xj

17)

a~ demi largeur h mi-hauteur maximale de la I-Ame raie (cm~~), fonction de la pression partielle de C02 et de la tempArature

aoi nombre d'onde central de la I-Ame raie S~ intensitA de la i-Ame raie (atm~~ cm~2).

Pour les bornes d'intAgration, 10 _a~ reprAsentent un pas de cm~~ environ, _ce qui Aquivaut

pour les faibles pressions, domaine qui nous intAresse, h la plus petite interfrange du spectre

(v3). Pour les pressions 4levAes les raies _se chevauchent et les bornes d'intAgration doivent @tre prises _avec plus de prAcision.

Les rAsultats de simulation du pr4sent modAle _[4] ont AtA comparAs I quatre modAles statis-

tiques de l'absorption _en prenant B(I)

= R(1)

= 1 _:

le modAle pseudo-alAatoire d'Elsasser [5], qui suppose d'avoir des bandes formAes _{par une} succession pAriodique et infinie de raies identiques (bande d'Elsasser), l'absorption A ($l) d'une bande complAte est la mAme que pour une seule raie de la bande. L'adaptation de _ce modAle h l'absorption du C02 consiste I prendre S, l'intensitA _moyenne de toute les raies du mode v3, (gale h 37,86313 ^atm~~ cm~~ _{et 6,} l'interfrange _moyenne de la bande h 4,3 _pm, (gale

h 1,411797 ^cm~~ Il est Avident _que le C02 _ne possAde _{pas un} tel spectre, Elsasser consi- dAre l'absorption de _{toute une} bande identique ^h celle d'une raie unique. I _{faible pression,}

le modAle d'Elsasser est _en bon accord _avec notre modAle mais diverge _aux pressions AlevAes

(> 10 000 /~bar).

le modAle alAatoire de Goody _[6] qui _propose un spectre ^constituA d'une infinitA de raies

identiques mais pouvant prendre n'importe quelle _position h l'intArieur d'une bande donnAe,

2 3 4

32 34 35 38 40 42 44 45 48 50

-1

kg en mm

2 .._

( -13

., "...,

( _-14

g ..,, '"...

( 5 ""....

"..,,

~° l 5 '"..

-1 7 ".

-lB

50 52 54 55 58 70 72 74 75 78

d (mm)

Fig. 5. Variation du signal _re§u Sr _en dBm _en fonction de d(E-R) _{en mm.} Quatre sdries de _mesures

ont dtd rdalisdes _en faisant varier Lg de 33 _mm h 50 _mm. Ces sdries ind6pendantes montrent la

reproductibilitd relative de la _mesure et le bon fonctionnement du dispositif (la sdrie n° 4 _a dtd effectude

avec un gain initial de la chaine d'amplification diffdrent des trois autres sdries).

[Variation of received signal Sr in dBm _versus d(E-R) in _mm. Four series of _measure have been realized with Lg varying ^{from 33} mm to 50 _mm. These independant series show the relative reproducibility of

measurements (we note that series 4 has been realized with

a different amplification factor).]

l'absorption est alors donnAe _{par une} relation analogue h celle de Beer-Lambert, elle est de la forme _:

A($l)

= 1- e~~~~~ (8)

W reprAsente la largeur Aquivalente d'une raie de la bande considArAe et 6 _est l'espacement

moyen existant entre les raies. Pour la comparaison, _{nous avons} pris _une largeur de rare Agale h WT/64 (WT Atant la largeur Aquivalente de toute la bande) _avec 64 raies de la bande _u3

prises _en compte ^h partir des graphes 4tablis _par Burch et al. [7] ^et qui ont At4 confirm4s ultArieurement par les modAles de Hirono et Suda [8].

L'allure gAnArale ^{du modAle} de Goody est similaire _au n6tre et reprAsente correctement

l'absorption _sur toute la gamme des pressions, ^{la dAviation observAe} aux faibles pressions

est due _au fait _que la valeur de WT de la formule (8) a 4tA extrapo14e h partir des valeurs

correspondant h des pressions plus AlevAes (Burch et al. n'ont _pas considArA de pressions ^basses dans leurs courbes [7]).

le modAle statistique de Gibson _et Pierluissi _[9] qui est _une amAlioration du modAle de Goody et de Zachor [10]. L'absorption _a 4t4 calcu14e pour une large bande spectrale 550 cm~~

h 9150 cm~~ _{par pas de 50} cm~~ _Ce modAle _{est en} bon accord _avec notre modAle et _cesse d'Atre valable _aux faibles pressions (< 1000 /~bar).

le modAle statistique de transmission de Stull-Wyatt-Plass _[11] qui tient compte des huit isotopes de 22 bandes spectrales diffArentes du C02, _pour des intensitAs de raies supArieures h

O _WW1e + Nk<61e

W6eWt6 de Goow

1,30

1,40

-1 50 ",+

, ,, ',,+

-1 1,50 ",~ ^°

', ',

l 1,70 ^+',

+",

o

,

I I,BO $,

',

,

I 1,90 ",+ ^°

, ,

-12,OO ~,

-12,lO

50 loo IOOO IOOOO

valeurs calculdes dep(CO~)(~bar)

Fig. 8. Deuxibme transformation du signal _re~u Sr _en dBm _en fonction de p(C02) _en ~lbar, _en utilisant notre modAle (o) et celui de Goody (+). Les courbes reprdsentent _un ajustement des points issus de l'expdrience _{par un} polyn6me d'ordre 2.

[Second transformation Sr in dBm _~ersus p(C02) in ~lbar using _our model lo) and the Goody model

(+) The full and broken lines represent an adjustment of experimental points by _a 2 order polynomial.]

Gi gain du premier amplificateur G2 gain du montage Alectronique

K facteur de puissance de la seconde DEL (W/V)

R2 sensibilitA du second photodAtecteur (V/W).

3. R6sultats exp4rimentaux

La figure 3 illustre le sch6ma de principe du montage expArimental _pour l'Atalonnage du capteur.

Les diff6rentes _mesures ont AtA effectuAes h pression partielle fixe mais pour des distances

d'absorption variables et h la tempArature de 296 K.

L'6tage 61ectronique, placA entre les deux couples 6metteur-r6cepteur optiques travaillant respectivement 14,3 _~lm et 860 nm, ^est constituA d'une sArie d'amplificateurs sAlectifs I la

frAquence de pulsation de la premiAre DEL (le gain est d'environ 4000) et d'un d6modulateur AM qui restitue les variations du signal optique h 4,3 _~lm en fournissant _un signal continu de 10 V DC _max. Le temps ^de rAponse du dAmodulateur est de l'ordre d'une seconde, _temps

suilisant _pour suivre les variations du taux de C02 et commander les autres dispositifs de

r6gulation ^du _gaz dans la _serre. La longueur du cable optique _a AtA prise (gale h 100 _m, mais des longueurs plus importantes sont possibles.

La figure 4 reprAsente l'architecture du couple Ametteur-rAcepteur optiques.

Si d(E-R) est la distance sAparant le couple 6metteur-r6cepteur optiques primaires et do la distance minimale, le signal obtenu Sr(d), _{pour une} distance d _> do, est plus foible _que Sr(do)

1,35

,

. ,

,

,

>

. .

i ,

. ^.

. ,.

.

. .

'

de

~ _~6sultats notre

-d-- R~sultats _avec la modble

La deuxibme transformation de A (~) _en p(C02) _a At6 rAalisAe _en utilisant les deux _mo- dAles. Afin d'obtenir des courbes d'6talonnage extrAmes, notre modAle, donnant la plus faible absorption et le modble de Goody donnant la plus forte, ont AtA confrontAs. La figure 8 illustre

graphiquement les rAsultats des transformation de signaux.

La figure 9 reprAsente _{un zoom} de la figure 8 pour des pressions infArieures h 2000 ~lbar,

notre modAle est aussi comparA h celui de Goody. Cette figure montre que la _marge d'erreur

du capteur se situe entre 100 ~tbar _pour le modAle de Goody _et 200 ~tbar _pour notre modble,

ce qui est suilisant _pour l'application du capteur.

Conclusion

La faisabilit6 d'un capteur ^de C02 _par absorption vibrationnelle IR h 4,3 _{~lm a} At6 d6montrAe

avec une liaison h fibre optique. Des tests _sur 100 _m de fibre optique 50/125 standard ont 6tA rAalisAs, mais it _est possible d'utiliser des longueurs de plusieurs ^km et effectuer des mul-

tiplexages optiques. ^{En effet dans les} serres agricoles oh la tempArature et l'humiditA relative sont contr616es, la _mesure de la pression partielle de C02 se fait _en plusieurs endroits, ainsi la

limitation de la distance de mesure, imposAe initialement _par l'architecture classique du CFO par absorption directe _avec liaison _en fibre optique fluorAe, _a AtA levAe _par opto-alimentation.

Bien qu'il existe des Alectrodes de C02 ainsi _que d'autres mAthodes chimiques _pour doser le C02 _en atmosphbre de _serre, celles-ci _trouvent toujours _une limitation des performances. Les avantages du CFO _{est sa} rAversibilitA, _sa ^faible dimension (la cellule d'absorption _{a une} longueur

de 5 cm), _sa sAlectivitA chimique, son insensibilit4 _aux perturbations AlectromagnAtiques, son

faible bruit _en basses frAquences, _sa rAponse rapide et le fait qu'il n'est pas contaminant _ou

empoisonnant. D'un autre c6tA, le rAsultat de simulation conduisant _aux courbes d'Atalonnage

montre que le capteur peut dAtecter des pressions partielles supArieures h 100 ~tbar _{avec une}

marge d'erreur de 100 ~lbar _ou 200 ~tbar selon les modAles d'absorption utilisAs. Cette marge d'erreur est suilisante _pour l'application recherch6e oh l'essentiel est de maintenir le taux de C02 d'une _serre agricole enrichie h 1000 _ou 1200 ~lbar. Des exp6rimentations _en atmosphAre rAelle de _serres enrichies _sent n6cAssaires _pour dAterminer l'absorption expArimentale du C02 afin d'ailiner le modAle d'absorption.

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