Le potentiel de la réflectométrie électrique

La réflectométrie électrique est une méthode de contrôle non destructif, qui a été largement étudiée par les équipes du CEA-List, pour le diagnostic des défauts dans les câbles électriques. Elle injecte un signal de sonde dans le système ou milieu sous test et enregistre les échos, créés à chaque discontinuité d’impédance et réfléchis vers le port d’injection. Leur analyse permet de déduire les informations sur cette discontinuité.

Afin d’assurer un diagnostic en ligne et embarqué, le CEA-List a développé des méthodes de réflectométrie non intrusives telles que : la technologie MCTDR («Multi-Carrier Time Domain Reflectometry») et la technologie OMTDR («Orthogonal Multi-tone Time Domain Reflectometry») permettant de ne pas interférer avec les signaux natifs du système. Pour accompagner leur transfert industriel, le CEA-List a développé également des cartes électroniques «bas coût» permettant d’effectuer l’ensemble de la chaîne de réflectométrie (injection, acquisition et traitement) dans un temps inférieur à la milliseconde, permettant ainsi de détecter et localiser un arc électrique dans un avion en vol.

Des méthodes de traitement du signal et d’Intelligence Artificielle (IA) ont été développées afin d’améliorer les performances du système de diagnostic par réflectométrie (précision de localisation, sensibilité), de remonter à un critère de fin de vie du câble (PTC VIPER) et de prédire l’évolution de défauts afin d’estimer la durée de vie résiduelle du système (travaux de thèse en cours) dans la perspective d’une maintenance prédictive. La fiabilité du diagnostic a également été évaluée en présence de contraintes opérationnelles telles que la vibration dans le domaine spatial, en collaboration avec le CNES (figure 1), la température dans le domaine nucléaire, etc.

Fort de son expertise dans le diagnostic filaire, le CEA-List applique la réflectométrie électrique à différents domaines d’application :

• La surveillance de l’état de santé d’une structure : la faisabilité de la réflectométrie a été démontrée pour la surveillance de l’intégrité d’un réservoir hydrogène en collaboration avec Faurecia, acteur principal, dans le domaine automobile.
• La mesure multiniveau par réflectométrie électrique : en 2023, la réflectométrie a été appliquée sur un modèle de puit de forage d’architecture complexe en présence de contraintes opérationnelles sévères (présence de débris) pour la détection de l’interface entre des milieux de permittivité diélectriques différentes et mesure de niveau de l’eau, gaz et d’huile.
• La surveillance de l’état de santé d’un système de stockage d’énergie : en 2023, des travaux de caractérisation et de modélisation de cellules batterie lithium-ion ont été réalisés en haute fréquence couvrant une plage allant de 1 MHz à 300 MHz (figure 2). Ces travaux seront approfondis et combinés à des techniques d’IA dans le cadre d’une thèse de doctorat en 2024, visant à estimer la durée de vie résiduelle d’un pack de batterie.

• La reconstruction de la topologie d’un réseau multibranche pour la détection d’une intrusion physique sur le réseau (vol d’énergie) ou la définition du plan d’un réseau électrique dans un bâtiment : en 2023, un nouvel algorithme basé sur un procédé itératif a été breveté et évalué sur des maisons témoins de la plateforme INCA du LITEN au Bourget-du-Lac (PTC MOCA, figure 3) permettant d’atteindre des reconstructions correctes pour 90% des mesures effectuées et un temps de convergence de moins de 1h contre 24h par rapport à l’état de l’art.

• La détection et localisation de départ d’incendie : en 2023, dans le cadre du projet Secure-HOP financé par la BPI, un prototype bas coût basé sur une nouvelle carte électronique intégrant la chaîne de la réflectométrie OMTDR comprimée (figure 4) et un câble thermosensible. La nouvelle architecture de la chaîne d’émission a donné lieu à un dépôt de brevet. Dans l’aéronautique, la réduction du coût de ce système est estimée à 25% par rapport à un détecteur thermique ou à gaz.

• Le diagnostic de transitions fortuites dans les bobines supraconductrices : mise au point d’un moyen d’observation en temps réel du phénomène de supraconductivité par réflectométrie et développement d’une méthode de détection rapide et de suivi en temps réel de transitions fortuites (quench), brevetée en 2022 dans le cadre du PTC R4QUENCH (avec la DRF).

• Transferts industriels : Certaines technologies de réflectométrie développées par le CEA-List ont fait l’objet de transferts industriels. En effet, la startup WIN MS, créée en 2012 par le CEA-List, exploite la technologie MCTDR dans la maintenance aéronautique et la surveillance de câbles ferroviaires.
• Brevets : Des brevets liés à la reconstruction de la topologie (FR2303037, Procédé itératif de reconstruction de la topologie d’un réseau de câbles, 2023) des réseaux et la mesure multiniveau sont exploités dans des collaborations industrielles dans le secteur de l’énergie et du Oil & Gaz. Enfin, le projet Secure-HOP, financé par la BPI, a permis de développer un démonstrateur pour la détection d’incendie basé sur un système de réflectométrie OMTDR embarqué et bas coût.