ES2479916B1 - Procedimiento de fabricación de RFGB y sensor que incorpora una RFGB obtenida mediante dicho procedimiento - Google Patents

Procedimiento de fabricación de RFGB y sensor que incorpora una RFGB obtenida mediante dicho procedimiento Download PDF

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Abstract

Procedimiento de fabricación de RFGB y sensor que incorpora una RFGB obtenida mediante dicho procedimiento.#Se da a conocer un procedimiento de fabricación de RFGB (1) a partir de una fibra óptica (11) y un sensor que comprende una RFGB (1) obtenida mediante dicho procedimiento. En particular, la presente invención da a conocer un procedimiento para la obtención de RFGB a partir de fibras ópticas que permite obtener sensores con mayor resistencia a las altas temperaturas. De manera general, el procedimiento comprende las etapas de:#a) introducción de hidrógeno a la fibra óptica (11);#b) inscripción de una red de difracción en la fibra óptica (11), preferentemente una red de Bragg (12);#c) encapsulamiento de la fibra óptica (11);#y, una vez realizadas estas etapas se realiza un tratamiento térmico (200) de regeneración para obtener un RFGB.

Description

OBJETO DE LA INVENCiÓN
La presente invención da a conocer un procedimiento de fabricación de sensores de fibra óptica mediante redes de Bragg (FGB) y el sensor obtenido mediante dicho procedimiento. En particular, la presente invención da a conocer un procedimiento para la fabricación de un sensor de fibra óptica mediante redes de Bragg regeneradas (RFGB).
ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN
Es conocida la utilización de fibra óptica para tareas de sensado de diversas variables físicas. En particular, es conocido el uso de este tipo de material como detector de temperatura mediante el grabado de redes de Brag9 a lo largo de la misma. Este tipo de fibras son conocidas en la técnica como fibras con redes Bragg (FBG)
Las F8G se fabrican mediante la inscripción de redes (de manera periódica o aperiódica) de manera que se modifica el índice de refracción en el núcleo de la fibra, de manera preferente, esta inscripción se realiza mediante láser ultravioleta.
Una red de difracción en fibra es una modulación periódica o casi periódica en el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica a lo largo de su eje longitudinal.
En una FBG, la longitud de onda de Bragg (As) vendrá determinada por la ecuación:
A8=2 * neff * 1\
Siendo neff el índice de refracción efectivo en el núcleo de la fibra óptica y 1\ la separación espacial de las perturbaciones en el índice de refracción. La longitud de onda de Bragg se ve afectada por las condiciones ambientales externas que afecten tanto al índice de refracción efectivo del núcleo de la fibra óptica como a la separación espacial entre perturbaciones del índice de refracción. Este hecho es aprovechado para crear sensores que son capaces de medir distintos parámetros físicos y/o químicos de forma directa o indirecta. La variación de la longitud de onda de Bragg se puede expresar como la suma de los efectos de las diferentes contribuciones, principalmente deformación y temperatura lo que permite, por tanto, medir la temperatura de forma indirecta en función de la variación de la longitud de onda de Bragg que presenta una F8G.
Tras la realización de diversa experimentación se ha determinado que la modulación del índice de refracción en una FBG sufre una reducción progresiva e irreversible cuando se exponen a temperaturas elevadas y constantes. Esta reducción de la modulación del índice de refracción con la temperatura es lo que se conoce como degradación y limita el uso de FBG en aplicaciones con temperaturas elevadas. A temperaturas elevadas los tiempos necesarios para producir un determinado grado de degradación se reducen considerablemente, reduciéndose a unos pocos minutos a temperaturas en tomo a los 600°C. Este tiempo de supervivencia es inaceptable en aplicaciones de temperaturas extremas.
En consecuencia, se hace necesario disponer de técnicas que permitan incrementar la estabilidad térmica de las FBG de manera que éstas sean capaces de soportar temperaturas extremas como las alcanzadas en un incendio (del orden de 1100 OC). Este procedimiento recibe el nombre de "regeneración" y las FBG resultantes son FBG regeneradas (RFBG).
DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN
La presente invención da a conocer un método para la fabricación de RFGB que no solo disponga de una la funcionalidad y precisión de FGB convencionales sino que, además, dispongan de una respuesta adecuada a altas temperaturas.
En concreto, la presente invención da a conocer un procedimiento de fabricación de RFGB a partir de una fibra óptica que comprende las etapas de:
a) introducción de hidrógeno a la fibra óptica;
b) inscripción de una red de difracción en la fibra óptica;
c) encapsulamiento de la fibra óptica; en el que la etapa b) se realiza tras la introducción de hidrógeno de la etapa a) y, una vez realizadas las etapas a) y b) se procede al encapsulamiento de la fibra óptica y porque, una vez encapsulada, se realiza una etapa d) que comprende un tratamiento térmico de regeneración.
Preferentemente, en la etapa a) se dispone la fibra óptica en un contenedor con hidrógeno a una presión de entre 20 y 30 bares durante un tiempo de entre 10 y 20 días.
Además, en la etapa b) la red que se inscribe puede ser una red Bragg.
En una realización especialmente preferente, el encapsulamiento de la etapa d) se realiza introduciendo la fibra óptica entre un encapsulado que comprende acero inoxidable y/o alúmina.
En cuanto a la etapa de regeneración, dicha etapa b) comprende, preferentemente, las
siguientes sub-etapas:
d1) incremento de la temperatura de la fibra hasta una temperatura objetivo;
d2) mantenimiento de la temperatura objetivo; y
d3) enfriamiento de la fibra donde la temperatura objetivo es la temperatura en la cual la potencia pico reflejada de la fibra óptica resultante de la etapa c) se reduce en, al menos, un 70%
En cuanto a parámetros preferentes, dicha temperatura objetivo es una temperatura entre 800 oC y 1200 oC, el mantenimiento de la temperatura de la etapa d1 ) se realiza en un tiempo entre 1 y 2 horas y la etapa d2) se realiza durante un tiempo hasta que se estabilice la frecuencia reflejada de la fibra óptica (aproximadamente, entre 1 y 2,5 horas). Adicionalmente, la etapa d3) se puede realizar disminuyendo la temperatura progresivamente hasta alcanzar la temperatura ambiente. Por otra parte, en realizaciones de la presente invención, la etapa d) se repite entre 1 y 5 veces.
En una realización particular, la inscripción de la etapa b) comprende un enmascarado fotónico de, al menos, parte de la fibra óptica. Es decir, se realiza un enmascarado de la fibra que permite el paso de fotones únicamente a través de ciertas zonas siendo dichas zonas la red que se pretende inscribir en la fibra. Evidentemente, el grabado en este caso se realiza mediante láser.
Finalmente, la presente invención da a conocer un sensor de temperatura que comprende una RFGB obtenida mediante el procedimiento explicado anteriormente.
DESCRIPCiÓN DE l OS DIBUJOS
5 Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un ejemplo de RFBG según la presente invención.
La figura 2 muestra un gratico del comportamiento de una FBG que ha sido previamente hidrogenada y encapsulada ante un tratamiento ténnico de regeneración. 15
La figura 3A muestra un gráfico de comportamiento una RFBG con un encapsulado de acero inoxidable durante el procedimiento de regeneración.
La figura 38 muestra un gráfico del comportamiento de la RFBG de la figura 3A a diferentes 20 temperaturas.
La figura 4A muestra un gráfico de comportamiento una RF8G con un encapsulado de alúmina durante el procedimiento de regeneración.
25 La figura 48 muestra un gráfico del comportamiento de la RF8G de la figura 4A a diferentes temperaturas.
La figura 5 muestra un gráfico en el que se indica la longitud de onda reflejada para diferentes temperaturas en la RFGB de las figuras 4A y 4B.
REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN
La figura 1 muestra una RFBG obtenida mediante un procedimiento según la presente invención.
En esta figura se puede observar como la RFGB (1 ) comprende un encapsulado (10) y una fibra óptica (11 ) con una red de Bragg (12) inscrita sobre ella.
En cuanto a su funcionamiento, de la figura 1 se puede observar que la RFGB (1) tiene un comportamiento que consiste en que, ante una señal de entrada (100) que es una señal que, vista en frecuencia, está comprendida en una determinada banda de longitudes de onda A y tiene una determinada potencia P. La RFGB (1) permite que ciertas longitudes de onda se transmitan (101 ) a través de la fibra óptica (11 ) y otras longitudes de onda se reflecten (102) de la misma.
Por tanto, si se tiene que la banda de longitudes de onda reflejadas (102) de la fibra óptica dependen de la temperatura a la que la RFGB (1 ) se encuentra sometida, mediante la detección de las longitudes de onda reflejadas (102) se puede obtener una estimación de la temperatura de la RFGB (1).
En particular, la RFBG (1 ) de la figura 1 se obtiene sometiendo una fibra óptica a un procedimiento que incluye, primero, un tratamiento llamado hidrogenación ya que dicha hidrogenación permite tener fibras resultantes que son térmicamente mucho más estables que las convencionales y son capaces de resistir temperaturas cercanas al punto de fusión de la sílice.
En esta hidrogenación, se introduce hidrógeno molecular en el interior de la fibra óptica. Este proceso se realiza justo antes de la inscripción de las redes de Bragg (12) en la fibra y se obtiene introduciendo la fibra óptica en un contenedor con hidrógeno a altas presiones, por ejemplo, en una realización particular, se mantiene a una presión de 25 bares durante 15 días. La hidrogenación de la fibra óptica (11) provoca, además, un aumento de la foto sensibilidad de la fibra óptica (11) Y una mayor estabilidad térmica.
Una vez hidrogenada, se inscribe una red de Bragg (12) que, preferentemente es una red de, aproximadamente, 1 cm de longitud y apodización uniforme. Esta inscripción se puede realizar mediante procedimientos conocidos en la técnica como lo son, por ejemplo, mediante una inscripción punto a punto mediante láser ultravioleta o mediante enmascarado.
Dado que las fibras ópticas son elementos muy frágiles una vez han alcanzado elevadas temperaturas, para su empleo como sensor es necesaria su protección y encapsulamiento. Por este motivo, se propone su encapsulamiento previo a su regeneración, para, de esta forma, minimizar las posibilidades de rotura de la fibra. En consecuencia, tras su hidrogenado e inscripción de la red de Bragg (12), se introduce la RFBG en un elemento tubular de pequeño diámetro y uno de los extremos de la fibra se fija a un extremo del elemento tubular mediante un adhesivo especial de altas temperatura (Por ejemplo, el conocido comercialmente como Cotronix Durabond 954). En cuanto a materiales para el encapsulado (10) destacan el acero inoxidable y la alúmina aunque la presente invención no se limita a estos dos materiales.
Una vez se tiene la fibra hidrogenada, inscrita con la red de Bragg y encapsulada, se procede a realizar un tratamiento térmico de regeneración. Debido a las temperaturas extremas que se alcanzan durante dicho tratamiento térmico, la fibra óptica es desprovista de todo recubrimiento antes de introducirla en un horno tubular, donde se llevará a cabo el tratamiento térmico. De esta forma se pretende evitar que la incineración del recubrimiento contamine la fibra óptica y afecte a las medidas realizadas.
Este tratamiento se basa, principalmente, en elevar progresivamente la temperatura hasta una temperatura objetivo, mantener esta temperatura objetivo durante un tiempo determinado y, finalmente, enfriar la fibra óptica encapsulada obteniendo una RFGB.
Durante todo el tratamiento térmico se monitoriza la potencia pico reflejada por la fibra óptica. En la Figura 2 se muestra la evolución de la potencia pico reflejada (3) de la FBG y la temperatura (2) a la que se encuentra sometida en el interior del horno tubular durante todo el proceso de regeneración. En la Figura 2 se pueden distinguir dos fases durante el proceso de regeneración. Una primera fase (20) de degradación de la FBG original hasta su desaparición y una segunda fase (30) donde se produce un aumento de la potencia pico reflejada (3) hasta estabilizarse.
El proceso de regeneración provoca que la reflectividad de la RFBG resultante sea menor a la FBG origen, siendo mayor cuanto mayor sea la reflectividad de la FBG origen.
5 La temperatura mínima necesaria para producir la regeneración en el caso de las fibras SMF-28 se encuentra en torno a 950 oC. En caso de no superarse esta temperatura mínima, la FBG simplemente se degrada y no presenta la segunda fase (30) de aumento de la potencia óptica reflejada.
10 Por otra parte, existen diferentes materiales que se pueden utilizar como material de encapsulado (10). Como ejemplos particulares de realización, la presente invención da a conocer la utilización de acero inoxidable y alúmina. Las diferentes variables y las propiedades que aportan estos materiales de encapsulado a un sensor de temperatura según la presente invención se muestran en la tabla 1.
Acero inoxidable Alúmina
Tipo AISI 304 AL-99.8
Diámetro interior (mm) 1.1 1 Diámetro exterior (mm) 1.4 2 Longitud Variable Variable Temperatura máxima (OC) 800 1200 Temperatura máxima punta (oC) 1000 1325
Tabla 1. Propiedades de sensores de temperatura utilizando como material de encapsulado acero inoxidable y alúmina.
20 De esta tabla se debe entender que la temperatura máxima es la máxima temperatura que puede alcanzar el sensor sin sufrir degradaciones ópticas o mecánicas. A partir de esta temperatura se producen perturbaciones ópticas y mecánicas que dañan su funcionamiento. Por otra parte, la temperatura máxima punta es la temperatura máxima a la que puede llegar a trabajar el sensor. Una vez alcanzada la temperatura máxima punta, se
25 produce una degradación acelerada del sensor, estimada en un máximo de 5 minutos
Haciendo referencia a la figura 3A, se muestra el tratamiento térmico (200) de regeneración realizado a la fibra óptica para obtener el RFGB. En este caso, se observa que el tratamiento térmico (300) incluye someter la fibra a una temperatura (2) que se incrementa
30 hasta llegar a alrededor de los 980 oC y mantener esta temperatura hasta obtener una potencia pico (3) estable.
Tras este tratamiento, la RFGB está lista para realizar mediciones de temperatura. Tal y como se observa en la figura 38, en la que se muestra la respuesta de la RFGB a variaciones de temperatura (300). En esta respuesta a variaciones de temperatura (300) se observa como para cambios de temperatura (2) en la RFGB se obtiene una respuesta con una longitud de onda (4) proporcional a dichos cambios de temperatura (2).
De manera análoga, en la figura 4A se muestra tanto el tratamiento térmico (200) como la respuesta a variaciones de temperatura (300) para una RFGB con un encapsulado de alúmina. Particularmente, se obselVa que el tratamiento térmico (200) de regeneración es, sustancialmente, igual aunque la potencia pico (3) tiene un comportamiento ligeramente diferente, sobretodo, en la fase de degradación (entre los primeros 120 minutos) y, además, tiene una potencia pico (3) de estabilización inferior al caso del acero inoxidable.
En cuanto a su respuesta a variaciones de temperatura (300), haciendo referencia a la figura 4B, se observa que se obtienen resultados comparables al caso del acero inoxidable.
En la figura 5 se observa más claramente el comportamiento en respuesta de variaciones de temperatura (4) respecto a la temperatura a la que está sometida la RFGB de las figuras 4A y 4B. Como conclusión, se obtiene que la RFGB tiene un comportamiento cuasi-lineal, cuando menos, para un rango de temperaturas entre los O oC Y los 1200 oC.

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ) a partir de una fibra óptica (11 ) que comprende
    las etapas de: a) introducción de hidrógeno en la fibra óptica (11); b) inscripción de una red de difracción en la fibra óptica (11 ); e) encapsulamiento de la fibra óptica (11 );
    caracterizado por que la etapa b) se realiza tras la introducción de hidrógeno de la etapa a) y, una vez realizadas las etapas a) y b) se procede al encapsulamiento de la fibra óptica y porque, una vez encapsulada, se realiza una etapa d) que comprende un tratamiento ténnico (200) de regeneración.
  2. 2.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 1, caracterizado por que en la etapa a) se dispone la fibra óptica (11) en un contenedor con hidrógeno a una presión entre 20 y 30 bares durante 10 a 15 días.
  3. 3.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 1, caracterizado por que, en la etapa b), la red de difracción que se inscribe es una red de Bragg (12)
  4. 4.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 1, caracterizado por que el encapsulamiento de la etapa d) se realiza introduciendo la fibra óptica (11 ) en un encapsulado (10) que comprende acero inoxidable.
  5. 5.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 1> caracterizado por que el encapsulamiento de la etapa d) se realiza introduciendo la fibra óptica (11 ) en un encapsulado (10) que comprende alúmina.
  6. 6.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa d) comprende las siguientes sub-etapas: d1 ) incremento de la temperatura (2) de la fibra hasta una temperatura
    objetivo; d2) mantenimiento de la temperatura objetivo; y d3) enfriamiento de la fibra
    en el que la temperatura objetivo es la temperatura (200) en la cual la potencia pico reflejada
    (3) de la fibra óptica resultante de la etapa c) se reduce en, al menos, un 70%.
  7. 7.
    Procedimiento de fabncación de RFGB (1), según la reivindicación 6, caractenzado por que la temperatura objetivo es una temperatura (200) entre 800 oC y 1200 oC.
  8. 8.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1), según la reivindicación 6, caracterizado por que la etapa d 1) se realiza en un tiempo entre 1 y 2 horas.
  9. 9.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ), según la reivindicación 6, caracterizado por que la etapa d2) se realiza hasta que se estabilice la potencia pico (3) de la fibra óptica.
  10. 10.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ), según la reivindicación 6, caracterizado por que la etapa d2) se realiza en un tiempo entre 1 y 2,5 horas.
  11. 11.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ), según la reivindicación 6, caracterizado por que la etapa d3) se realiza disminuyendo la temperatura hasta alcanzar la temperatura ambiente.
  12. 12.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ), según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa d) se repite entre 1 y 5 veces.
  13. 13.
    Procedimiento de fabricación de RFGB (1 ), según la reivindicación 1, caracterizado por que la inscripción de la etapa b) comprende un enmascarado fotónico de, al menos, parte de la fibra óptica .
  14. 14.
    Sensor de temperatura caracterizado porque comprende una RFGB (1) obtenida mediante el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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