Une start-up utilise la lumière pour détecter les fuites industrielles

Roseli Andrion

Grâce à des capteurs optoacoustiques, une entreprise soutenue par la FAPESP surveille des environnements critiques de manière sûre et précise.

L’innovation ne résulte pas toujours d’un bond en avant spectaculaire. Elle peut parfois naître d’un détour ou de la simplification d’une idée complexe. C’est ainsi qu’un perfectionnement précis et persévérant d’une technologie physique a commencé à prendre forme dans un pôle d’innovation à Campinas, dans l’intérieur de l’État de São Paulo, au Brésil. Il s’agit déjà d’une option prometteuse à fort potentiel d’impact.

Le capteur optoacoustique peut détecter les fuites de gaz, d’huile ou de vapeur dans des environnements industriels critiques, tels que les lieux à forte radiation, à risque d’explosion ou à températures extrêmes. La technologie fonctionne sans toucher le fluide, ne nécessite pas d’électricité au point de mesure et peut fonctionner en toute sécurité au-dessus de 200 °C.

MKFotônica a développé cette solution avec le soutien du programme PIPE (Programme d’innovation dans les petites entreprises) de la FAPESP. Elle capte les vibrations mécaniques et les bruits ultrasoniques provenant des défauts des équipements industriels avec une grande sensibilité. Au lieu d’une puce intégrée complexe, son architecture utilise des composants discrets déjà disponibles sur le marché. « La solution est moins élégante, mais plus viable », résume Leandro Matiolli, physicien et cofondateur de la start-up.

Les capteurs sont basés sur des principes purement optiques et sont immunisés contre les interférences électromagnétiques, ce qui les rend idéaux pour les environnements où les options électroniques traditionnelles sont inefficaces, explique M. Matiolli. « Comme ils ne comportent aucune pièce électrique, ils sont sans danger pour les environnements critiques. » Les capteurs détectent des fréquences allant jusqu’à 500 kHz, ce qui permet d’identifier rapidement les défauts, avant même qu’ils ne soient perceptibles par l’homme ou d’autres capteurs. Ainsi, cette technologie peut rendre la surveillance des processus industriels critiques plus sûre et plus efficace.

Fibre optique et simplification

Le dispositif se compose d’un capteur optoacoustique et d’une unité de lecture, ou interrogateur optique, qui traite les signaux provenant des vibrations mécaniques sur la surface surveillée. L’interrogateur permet de sélectionner des plages de fréquences spécifiques, ce qui permet d’éliminer le bruit de fond et de reconnaître les modèles acoustiques associés aux fuites, à l’usure ou aux défaillances imminentes.

La start-up propose ainsi une technologie sensible et robuste qui peut aider à résoudre un problème qui coûte des millions aux entreprises brésiliennes : identifier les fuites dangereuses avant qu’elles ne se transforment en catastrophes. L’idée initiale était toutefois très différente.

Le plan initial était de concevoir une puce photonique, le cœur du système. Cependant, des difficultés sont rapidement apparues, notamment le coût élevé, la complexité de l’emballage et la nécessité d’un volume de ventes élevé pour garantir la viabilité économique. « Nous voulions développer un interrogateur optique pour la détection acoustique avec une puce photonique. Lors des tests, nous avons réalisé que, bien que techniquement intéressant, cela ne serait pas viable économiquement », précise M. Matiolli.

De plus, les variations de température affectaient la longueur des fibres optiques, compromettant la précision de la solution. « Nous avons fabriqué des machines pour enrouler les fibres et contrôler leur longueur avec une précision micrométrique. Cependant, en raison des variations thermiques, le système ne fonctionnait pas comme prévu et l’interrogateur perdait sa fonctionnalité. »

L’expérience a conduit à l’entrepreneuriat

MKFotônica est née d’un changement d’orientation professionnelle. Après avoir travaillé pendant dix ans dans l’industrie des télécommunications optiques, dont les quatre dernières années en tant que responsable du développement, Matiolli a décidé de se lancer dans l’entrepreneuriat. Il avait déjà participé à la création de puces photoniques et suivi le processus de transformation de cette technologie en produit. « J’ai toujours voulu créer une entreprise. Je voulais transformer les connaissances techniques en solutions pratiques et accessibles », explique-t-il. « Lorsque l’idée de développer ce composant a germé, j’ai senti que le moment était venu. »

Pour ce projet, M. Matiolli a trouvé le partenaire idéal en la personne de Bernardo de Barros Correia Kyotoku, un collègue physicien et spécialiste en photonique intégrée. « Nous nous sommes rencontrés au Centre de recherche et de développement en télécommunications [CPQD, un centre d’innovation en technologies de l’information et de la communication basé à Campinas], où nous avons acquis une expérience technique. Nous avons toujours parlé d’entrepreneuriat et d’application de nos connaissances à des solutions commerciales. Dix ans plus tard, nous avons fondé l’entreprise ensemble », se souvient Matiolli.

Au départ, ils prévoyaient de surveiller les décharges électriques internes des transformateurs de puissance dans le secteur de l’énergie. Cependant, au cours du développement du projet, les scientifiques se sont heurtés au conservatisme du secteur. « Nous avons discuté avec des ingénieurs, des techniciens, des gestionnaires, et tout le monde trouvait l’idée excellente, mais personne n’avait l’intention d’investir dans de nouveaux équipements. Ils privilégient l’analyse des données à l’aide des capteurs existants. »

Ils ont ensuite étudié l’industrie pétrochimique, où les fuites au niveau des vannes, des tuyaux et des conduits présentent des risques opérationnels, environnementaux et financiers. « Nous avons réalisé que si nous simplifions le capteur, nous pourrions répondre aux besoins de ce marché. Ce changement a été motivé par des discussions avec Nestor Moura, l’un des experts les plus expérimentés du Brésil en matière d’émissions acoustiques. Il nous a montré les problèmes réels rencontrés dans l’industrie et a vu un grand potentiel dans notre technologie. »

Ironiquement, la simplification a rendu le projet plus innovant : la recherche de bruits associés à des fuites dans les vannes ou les purgeurs de vapeur, courantes dans les processus industriels à haute pression. Cela est possible grâce à la large gamme de fréquences détectables, combinée à des algorithmes d’identification des modèles acoustiques, qui garantissent que l’application reconnaît les signes subtils de défaillance à un stade précoce, ce qui est essentiel pour la sécurité et la prévention des accidents.

En plus de fonctionner dans des environnements hostiles, le capteur peut être installé jusqu’à 30 kilomètres (km) de l’interrogateur optique. L’interrogateur est entièrement passif, ce qui signifie qu’il ne nécessite aucune alimentation électrique locale et ne comporte aucun composant électronique au point de mesure. Il est compatible avec les plateformes SCADA, qui sont la norme dans l’automatisation industrielle, ainsi qu’avec l’USB et le cloud computing. « L’appareil ne produit ni étincelles ni chaleur et est insensible aux parasites électriques. Il est donc idéal pour les environnements explosifs, les sous-stations, les lignes à haute tension et autres installations. »

Comme elle peut fonctionner en toute sécurité dans des zones classifiées, cette technologie peut être utilisée pour mesurer les émissions acoustiques, identifier les décharges partielles dans les transformateurs et fonctionner dans les processus sidérurgiques et même les réacteurs nucléaires, car elle est insensible aux environnements radioactifs. « Cela réduit les risques en permettant une surveillance constante. »

Une technologie connue, une nouvelle application

Bien que les capteurs optiques existent depuis les années 1980, le concept utilisé par MKFotônica a été appliqué de manière créative et fonctionnelle à un besoin contemporain réel. « C’est peut-être le bon moment pour l’appliquer, dans un créneau qui exige robustesse et fiabilité. La demande existe, et notre solution optique, combinée à de nouvelles techniques d’apprentissage automatique, y répond », réfléchit le physicien.

Comme beaucoup d’autres innovations qui ne sont devenues populaires que lorsque le marché était prêt à les accueillir, la détection des fuites par fibre optique pourrait trouver sa place dans l’ère de l’industrie 4.0. Les capteurs « entendent » l’invisible et les algorithmes « comprennent ce qui est dit » pour transformer ces informations en alertes de sécurité. « Avec la numérisation de l’industrie, l’intégration avec des systèmes de surveillance en temps réel fait toute la différence. »

Dans ce cas, il convient de rappeler que l’innovation va au-delà du dispositif lui-même. Il s’agit de l’application intelligente d’une technologie connue aux besoins actuels du marché. « Notre capteur suit cette logique. Il n’est pas le plus moderne, mais il est robuste et adapté aux environnements extrêmes. Il est donc le plus utile pour ce dont on a besoin aujourd’hui. »

Intelligence artificielle

L’un des principaux défis auxquels sont actuellement confrontés les chercheurs de MKFotônica est l’utilisation du système dans des environnements industriels bruyants. Alors que le capteur a montré une sensibilité extrêmement élevée aux petites fuites en laboratoire, le bruit de fond sur le terrain rend difficile la lecture claire des signaux. La start-up va désormais intégrer des algorithmes d’apprentissage automatique dans le dispositif afin de l’optimiser. « L’idée est de former des modèles pour identifier les signatures sonores des fuites parmi d’autres sons. L’intelligence artificielle peut nous aider à extraire des informations avec précision. »

Les algorithmes devraient permettre d’identifier les modèles acoustiques de différents types de défaillances. Cela réduira les fausses alarmes et améliorera l’efficacité opérationnelle. « Au fil du temps, le système apprend à reconnaître les sons ambiants, et tout écart, même minime, peut être le signe que quelque chose ne va pas. C’est crucial pour ceux qui s’occupent de la maintenance », estime-t-il. Selon M. Matiolli, l’analyse continue des modèles sonores permettra une prise de décision prédictive basée sur des informations fiables et des interprétations exploitables des données obtenues. « La capacité de surveillance dans la gamme des ultrasons nous permet d’identifier des signatures spécifiques à haute fréquence. La capacité de filtrer les basses fréquences garantit l’élimination du bruit ambiant et facilite la détection des fuites. La combinaison des capacités de filtrage et d’interprétation des données apporte un avantage intéressant à cette technique. »

Partenariats en cours

La start-up a déjà plusieurs partenariats en cours. L’un d’entre eux est conclu avec une entreprise du secteur sidérurgique et vise à détecter les risques de fuite et à accroître la sécurité opérationnelle aux points critiques où il existe un risque d’explosion. « Cette entreprise a déjà testé d’autres capteurs, mais aucun d’entre eux n’a fonctionné dans son environnement », commente-t-il. « C’est un défi de taille, mais cela pourrait devenir un produit directement dans leur gamme. » Les détails sont gardés confidentiels afin d’empêcher les concurrents de prendre l’avantage.

MKFotônica s’engage en faveur de la technologie nationale et de l’adaptation à différents secteurs industriels. L’entreprise mise sur l’application concrète de la science. « Nous ne vendons pas seulement un capteur, nous proposons un moyen intelligent d’écouter et d’interpréter ce qui se passe aux points les plus critiques des usines », explique Matiolli. « C’est un outil qui transforme la maintenance corrective en maintenance prédictive. Une solution robuste, sensible et adaptable, dotée d’une technologie nationale de haut niveau qui résout des problèmes réels. »

Source : FAPESP