Embedded optical system for the measurement of kerosene combustion gases
Système embarqué de mesure optique de la combustion du kérosène
Résumé
Optical sensors are increasingly encountered in modern aircraft health monitoring applications. They allow for the measurement of parameters of interest in various areas subject to various levels of constraint, while benefiting from the advantages of fiber optics technology : electromagnetic immunity, reduced weight and remote application. While they are particularly relevant for the monitoring of civil aircraft harmful emissions, embedded measurement systems of combustion gases are not yet integrated in these environments, notably because the high level of stress encountered around the engines. To address this issue, it is essential to develop solutions that are suitable for these environments, especially for information transport and transduction. In this study, we propose an optical measurement scheme and a system architecture suited for the measurements of these gases in flight. Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS) in the mid-infrared range (MIR), used with a point non-extractive sampling allow for both high sensitivity and integrability. We propose a silica hollow-core antiresonant fiber for signal transmission in high temperature areas. We show experimentally and in accordance to theoretical models that this fiber can transmit light in the MIR between 3.8 and 4.7 μm, with minimal loss of 0.19 dB/m @ 4.03 μm well within the state of the art. Moreover, the fiber is insensitive to bending loss for radii over 5 cm. We propose specificwavelengths suited for the measurement of CO, CO2, NO & NO2 in a multigas combustion flow. We study the feasibility of the WMS measurement of CO around 4.58 μm using analytical calculation, in order to find the optimal modulation parameters and evaluate the influence of environmental parameters on the measurement uncertainty. Finally, we propose solutions for the integration and maturation of the whole system, by estimating each technological limitation and investigating the existence of suitable solutions.
Les capteurs optiques sont de plus en plus intégrés dans les applications de surveillance de la santé des avions commerciaux. Ils permettent de mesurer des paramètres d’intérêts dans différentes zones, à différents niveaux de contraintes environnementales, en bénéficiant des avantages de la technologie de la fibre optique : immunité électromagnétique, poids réduit, applications déportées. Les systèmes embarqués de mesure des concentrations des gaz de combustion, d’un intérêt capital pour la surveillance des émissions polluantes de l’aviation civile, ne sont pas encore déployés dans ces environnements, notamment à cause des fortes contraintes rencontrées aux abords du moteur. Pour répondre à cette problématique, le développement de solutions adaptées à ces environnements, notamment pour le transport de l’information optique et la transduction, est primordial. Dans le cadre de cette thèse nous proposons une méthode optique de détection et une architecture du système adaptés à la mesure de ces gaz en vol. La spectroscopie par modulation de longueur d’onde (SMLO) dans le moyen infrarouge (MIR) associée à une mesure ponctuelle à l’aide d’une sonde réflective permet d’optimiser la sensibilité et l’intégrabilité d’un tel système. Nous proposons une fibre optique antirésonante en silice pour la transmission du signal optique dans les zones à fortes températures. Nous montrons expérimentalement, conformément aux calculs théoriques, que cette fibre permet de transmettre la lumière dans le MIR dans des longueurs d’onde comprises entre 3.8 et 4.7 μm, avec des pertes minimales à l’état de l’art de 0.19 dB/m à 4.03 μm, et est insensible aux courbures pour des rayons de plus de 5 cm. Nous proposons des longueurs d’onde propices à la mesure de CO, CO₂, NO et NO₂ dans un flux de combustion composé de nombreuses espèces chimiques. Nous étudions la faisabilité de la mesure de CO autour de 4.58 μm par SMLO à l’aide d’une simulation analytique, dans le but de trouver les paramètres de modulation optimaux, et d’évaluer l’influence des paramètres environnementaux sur l’incertitude de mesure. Enfin nous proposons des solutions à l’intégration et à la montée en maturité de l’ensemble des éléments possibles du système, en estimant l’importance des verrous technologiques, et en explorant l’existence de solutions adaptées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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