ES2926693A1

ES2926693A1 - Pirómetro con alta resolución espacial

Info

Publication number: ES2926693A1
Application number: ES202130347A
Authority: ES
Inventors: Garcia Maria Del Carmen Vazquez; Lallana Pedro Contreras; Cascajero Arantzazu Nunez
Original assignee: Universidad Carlos III de Madrid
Current assignee: Universidad Carlos III de Madrid
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2041-04-20
Also published as: EP4328555A1; ES2926693B2; WO2022223863A1

Abstract

Pirómetro con alta resolución espacial provisto de al menos una fibra multi núcleo (2), y un filtro espacial (4), donde dicha fibra multinúcleo presenta un número N=>2 de núcleos (3) que se transforman en al menos dos fibras de salida (5) mediante dicho filtro espacial (4), estando conectadas dichas fibras de salida (5) a un sistema de medida de temperatura (6), donde el sistema de medida de la temperatura comprende un demultiplexor sensible a la longitud de onda (8) con al menos dos salidas para separar espacialmente el espectro de la señal recolectada por cada uno de los núcleos (3).

Description

DESCRIPCIÓN

Pirómetro con alta resolución espacial

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención pertenece al sector de los dispositivos de medición de parámetros físicos, en particular de la temperatura de superficies. Más en concreto, se refiere a un pirómetro con diferentes resoluciones espaciales gracias a que está provisto de al menos una fibramultinúcleo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Existen múltiples técnicas para la medida de temperatura, pero buena parte de las mismas requieren de contacto con la superficie cuya temperatura se desea medir, como es el caso de los termopares, termistores, sensores intrínsecos de fibra óptica como redes de Bragg en fibra, técnicas basadas en backscattering Raleigh, Raman o Brioullin entre otras. La termografía infrarroja (IR), ya sea a través de cámaras o pirómetros, no requiere de contacto con dicha superficie lo que las hace idóneas para medidas en zonas donde no se puede colocar físicamente en contacto el sensor. La resolución espacial asociada a las medidas en campo lejano de este tipo de técnicas es del orden de ~A,/2; aunque los sistemas comerciales habituales suelen tener resoluciones del orden de 1mm y pueden alcanzar resoluciones del orden de decenas de micras con una óptica de colimación específica y muy cara.

Cuando se busca medir con resoluciones del orden de alguna micra se trabaja con la microtermografía Raman, pero se requiere un spot del láser de gran precisión y los dispositivos basados en esta técnica suelen necesitar un tiempo de medida elevado, desde segundos a varios minutos. En procesos de variación rápida de la temperatura, como en procesos de mecanizado industrial o en el análisis de fenómenos sísmicos, por indicar algunos ejemplos, se requieren menores tiempos de respuesta. Un experimento completo puede durar uno o dos segundos como máximo, y además se pueden apreciar fenómenos que requieren resoluciones del orden de decenas de micras. En la solicitud US20110046916A1 se describe el uso de un mazo de fibras ópticas para medir en diferentes puntos la temperatura de un substrato móvil. Cada fibra está provista de una lente y una formación de detectores 2D para medir la radiación. Cuenta con un filtro o ranura delante de los detectores. El dispositivo mide el espectro de emisión y reflexión, de manera que posibilita la medida en tiempo real de superficies que pueden estar cambiando. Sin embargo, este sistema es complejo, presenta problemas de alineamiento y no resuelve el problema de diferentes resoluciones espaciales en la superficie.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la presente invención es el de proporcionar un pirómetro con alta resolución espacial.

Para ello, la invención propone un pirómetro provisto de al menos una fibra multinúcleo con al menos dos núcleos y un filtro espacial para separar los distintos núcleos en fibras individuales provistas de una cubierta, donde al menos una de dichas fibras estará destinada a medir la temperatura, Las fibras de salida están conectadas a un sistema de medida de temperatura que comprende un demultiplexor sensible a la longitud de onda con al menos dos salidas para separar espacialmente el espectro de la señal recolectada por cada uno de los núcleos.

Opcionalmente, el pirómetro está provisto de un sistema de calibración y/o de apuntamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 muestra un esquema del sistema de medida de la invención.

La figura 2 es una representación esquemática de la sección transversal y longitudinal de las fibras multinúcleo y su separación en las fibras de salida con una visión de las diferentes formas de propagación en las mismas.

La figura 3 muestra el sistema de medida de temperatura para dos puntos de la superficie.

La figura 4 muestra distintos ejemplos de mallado de la fibra multinúcleo, con diferentes resoluciones espaciales en la misma superficie. Además, en la figura 4a se puede observar una configuración propuesta para diferentes funciones de los distintos núcleos de la fibra multinúcleo.

La figura 5 muestra distintos sistemas de auto calibración, las figuras 5a, 5b y 5c son de sistemas de autocalibración con potencia y/o intensidad, y la figura 5d es un sistema de autocalibración por fluorescencia.

La figura 6 muestra el sistema de apuntamiento.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En referencia a la figura 1, el pirómetro de la invención 1 comprende una fibra multinúcleo 2 provista de una pluralidad de núcleos 3 (en la figura se muestran como ejemplo N siendo N>2). Un filtro espacial de salida 4 (fan out en inglés) separa la fibra multinúcleo en fibras individuales 5. Algunas de estas fibras individuales 5 se conectan a un sistema para la medida de temperatura 6, otras servirán para otras funcionalidades. El número mínimo de estas fibras a la salida del filtro espacial es de dos.

En la figura 2 se pueden apreciar cada uno de los núcleos MCFN de la fibra multinúcleo 2, en una sección transversal (figura 2a) y longitudinal (figura 2b). Aquellos núcleos que recolectan la radiación para medida de temperatura como MCF1 y MCF2 en la imagen, conducen la luz hacia atrás. En el caso de los núcleos que se utilizan con fines de alineamiento o calibración, la luz emitida de referencia viaja hacia delante (véase MCF3) y la generada, como consecuencia de la fluorescencia en el caso de la calibración basada en esa técnica, viaja hacia atrás. También se muestra en la figura 2c como el filtro espacial 4 separa la fibra multinúcleo en las fibras individuales 5 cada una con su propio núcleo y cubierta como se muestra en la sección transversal de la figura 2d.

En la figura 3 se muestra el sistema de medida de temperatura 6 en detalle, en una puesta en práctica en la que una fibra multinúcleo 2 tiene dos núcleos. Estos dos núcleos, cada uno de ellos asociado a una zona espacial concreta de la muestra a medir, se separan en dos fibras a la salida del filtro espacial 4 y cada una de fibras destinadas a medir la temperatura se conectan al bloque de acondicionamiento 6a del sistema de medida 6 mostrado.

El tamaño, forma, número y disposición de los núcleos se deberá elegir en función de lo que se desee medir (superficie 100 en la figura 1), teniendo en cuenta que la resolución espacial depende de la apertura numérica de cada núcleo (que es función de su diámetro y de la relación entre los índices de refracción del núcleo y la cubierta) y de la distancia entre el extremo de la fibra multinúcleo y la superficie del objeto cuya temperatura se desea medir. Por ello se pueden utilizar distintos tipos de fibras MCF con núcleos circulares o elípticos que estén dispuestos de manera simétrica a lo largo de la fibra o asimétrica si se pretenden medir temperaturas en objetos de diferente tamaño en distintos puntos. Los distintos núcleos pueden tener distintas funcionalidades y distintos mallados como se muestra en la figura 4. En una configuración preferente si se desea una resolución espacial de 10um se utiliza una fibra MCF-7 (siete núcleos) con un diámetro de núcleo de 5um y una apertura numérica de 0,1, situada a 25um de distancia de la superficie cuya temperatura se desea medir. Los otros núcleos estarán separados al menos 25um y todos ellos comparten una misma cubierta, preferiblemente de 125um para facilitar la conexión una vez se realice la separación espacial. Esta configuración permite una medida 2D en la superficie en siete puntos diferentes, con una gran precisión en el posicionamiento al estar la malla integrada en una única fibra.

En una puesta en práctica particular mostrada en la figura 4a usando una fibra MCF-7 (siete núcleos), uno de los núcleos se utiliza para calibrar con fluorescencia 7a, otro para realizar el apuntamiento 18, otro para calibrar con intensidad 7c y los cuatro restantes se emplearían para la medida de temperatura 6 como tal. La fibra utilizada se muestra en el primer ejemplo de la figura 4, donde se han identificado cada uno de los núcleos con las funciones previamente indicadas.

En cuanto al sistema de medida de temperatura 6, representado en la figura 3, en su puesta en práctica más general, consta de un bloque de acondicionamiento 6a compuesto por un demultiplexor sensible a la longitud de onda 8 para separar espacialmente el espectro de la señal recolectada por cada uno de los núcleos de la fibra 2 con bajas pérdidas. En una configuración ventajosa, el demultiplexor sensible a la longitud de onda 8 separa en dos bandas espectrales la señal recolectada en cada núcleo 3 en dos canales de salida. La luz de cada canal se convierte a corriente en un fotodetector 9, y se acondiciona con un amplificador de transimpedancia 10. Posteriormente, en el bloque de adquisición y procesado 6b, se convierte en diferentes niveles discretos con una tarjeta de adquisición 11 y se utiliza un procesador 12 para obtener una señal de salida proporcional a la temperatura del objeto. El adecuado diseño conjunto de las características de cada núcleo 3 de la fibra multinúcleo 2, del filtro espacial de salida 4 y del demultiplexor sensible a la longitud de onda 8, de forma que el balance de pérdidas de inserción total en cada banda espectral sea uniforme y se compense con la ganancia de la etapa de acondicionamiento, compuesta por el fotodetector 9 y el amplificador 10, en todo el rango de medida sin que exista saturación permite aumentar el rango dinámico de operación del sistema que determina el rango de temperatura de medida con alta resolución espacial usando una misma configuración.

También se puede utilizar un demultiplexor sensible a la longitud de onda 8 con N canales de salida y en cada uno de ellos realizar la función de acondicionamiento, adquisición y procesado previamente indicada para el caso de dos canales. Cada una de las fibras de salida del filtro espacial 4 destinadas a medir la temperatura en puntos distintos se debe conectar al sistema de medida de temperatura 6. Así mismo, la medida en varias fibras de salida se puede combinar utilizando un combinador M:1 y procesar de forma conjunta para aumentar el nivel de señal cuando no se requiere la resolución individual de cada núcleo de la fibra multi núcleo. También se puede utilizar el sistema de medida de temperatura compartido entre todas las fibras sensoras de la temperatura dependiendo de los requerimientos en el tiempo de adquisición, de forma que se incluye un conmutador M:1 que conecta cada una de las fibras de salida del filtro espacial 4 con la entrada del demultiplexor sensible a la longitud de onda 8 del bloque de acondicionamiento 6a. Este sistema permite también el uso de técnicas de lock-in para el procesado de la señal.

El sistema de calibración tiene la función de auto calibrar utilizando diferentes técnicas. La funcionalidad de auto calibración por intensidad permite correlacionar la curva de calibración realizada en el laboratorio con las condiciones reales, utilizando una fuente infrarroja dentro del rango de medida del sistema. En las figuras 5a, 5b, 5c y 5d se muestran cuatro sistemas posibles empleados para la calibración. En primer lugar, se muestra el diagrama empleado en la calibración de intensidad/potencia empleado en el laboratorio (figura 5a). Un filtro inyector, 13 (fan-in) permite inyectar por uno de los núcleos de la fibra una fuente de luz 16 para recoger con el sistema de medida de temperatura 6 la luz que se ha propagado por el sistema en el otro extremo de la fibra. La figura 5b muestra el sistema de auto calibración empleado en entornos reales 7a, donde por un extremo se hace incidir la fuente de luz 16 que se propagará por uno de los núcleos de la fibra MCF 3 gracias al uso del filtro espacial 4, en el otro extremo de la fibra, la luz se refleja en un elemento reflector 14 que puede ser externo o interno en uno de los núcleos de la fibra MCF 3 por lo que puede viajar hacia atrás por otro núcleo en el cual se mide la intensidad o potencia obtenida tras el paso de la luz por los distintos elementos empleados en el sistema de medida de temperatura 6.

Posteriormente se compara la intensidad obtenida en ambas calibraciones (auto calibración y calibración en el laboratorio) para conocer si las pérdidas de inserción que tiene el sistema una vez montado en el entorno real son iguales a las que presentaba en el laboratorio y poder así confirmar que las calibraciones que se van a emplear para convertir la intensidad/potencia recibida en temperatura son correctas. Otro sistema de calibración insitu consiste en colocar a la entrada de uno de los núcleos de la fibra multinúcleo un sistema de referencia 15 que se asemeje a un cuerpo negro para tener una medida de referencia que pueda relacionarse con la calibración realizada en el laboratorio, tal y como se muestra en la figura 5c.

El sistema de auto calibración basado en fluorescencia 7b mostrado en la figura 5d se emplea con una muestra fabricada con un elemento fluorescente 20. Para usar este sistema se emplea una fuente de luz 16 que excita la muestra fluorescente 20, para ello se debe elegir la fuente con una longitud de onda adecuada para el material elegido. Una vez producida la excitación fluorescente del material se recoge la excitación con uno de los núcleos de la fibra MCF 2 y se analizan los datos con un detector de potencia 21 permitiendo así realizar una determinación de la temperatura absoluta. El material fluorescente se debe elegir en función de la temperatura aproximada que se desee medir para de esa forma tener una medida más fiable, para ello debe tenerse en cuenta la ecuación de Arrhenius que relaciona la energía de activación de los procesos no radiativos (Enr) del material con la temperatura (T) y la intensidad de luminiscencia (I):

Esta medida se procesa con un algoritmo específi

sistema.

Por último, el sistema de apuntamiento o posicionamiento 18 consta de una fuente visible 19, por ejemplo, un LED o láser rojo o verde que se inyecta en una de las fibras de salida del filtro espacial 4 para que a través del núcleo de la fibra multinúcleo correspondiente se proyecte sobre el objeto o superficie a medir permitiendo localizar el punto de medida concreto.

A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin exceder el objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Pirómetro con alta resolución espacial caracterizado por que está provisto de al menos una fibra multi núcleo (2) y un filtro espacial (4), donde dicha fibra multinúcleo presenta un número N=>2 de núcleos (3) que se transforman en al menos dos fibras de salida (5) mediante dicho filtro espacial (4), estando conectadas dichas fibras de salida (5) a un sistema de medida de temperatura (6), donde el sistema de medida de la temperatura comprende un demultiplexor sensible a la longitud de onda (8) con al menos dos salidas para separar espacialmente el espectro de la señal recolectada por cada uno de los núcleos (3).

2. Pirómetro según la reivindicación 1 caracterizado por que cada fibra de salida (5) del filtro espacial (4) está conectada a un bloque de acondicionamiento (6a) formado por un fotodetector (9) y un amplificador (10).

3. Pirómetro según la reivindicación 1 caracterizado por que el sistema de medida de la temperatura (6) comprende un demultiplexor sensible a la longitud de onda (8) con N salidas y un fotodetector (9) y un amplificador (10) para cada una de las salidas.

4. Pirómetro según la reivindicación 2 caracterizado por que el sistema de medida de la temperatura (6) está provisto de un único bloque de acondicionamiento (6a) y un conmutador M:1 que conecta cada una de las fibras de salida (5) del filtro espacial (4) con la entrada del demultiplexor sensible a la longitud de onda (8) del bloque de acondicionamiento (6a) del sistema de medida de temperatura (6).

5. Pirómetro según las reivindicaciones 3 o 4 caracterizado por que al menos dos fibras de salida (5) del filtro espacial (4) se combinan con un combinador M:1 cuya salida se conecta al demultiplexor sensible a la longitud de onda (8) del bloque de acondicionamiento (6a) del sistema de medida de temperatura (6).

6. Pirómetro según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que está provisto de un sistema de calibración (7a,7b,13, 14,15, 16).

7. Pirómetro según la reivindicación 6 caracterizado por que el sistema de calibración comprende una fuente de luz (16) y una muestra fluorescente (20) para la calibración por fluorescencia.

8. Pirómetro según la reivindicación 6 caracterizado por que el sistema de calibración comprende una fuente de luz (16) y un elemento reflector (14) para la calibración in-situ.

9. Pirómetro según la reivindicación 6 caracterizado por que el sistema de calibración comprende una fuente de luz (16) y un sistema de referencia (15).

10. Pirómetro según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que uno de los núcleos tiene una función de apuntamiento (18).

11.

Pirómetro según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que los núcleos (3) de la fibra multi núcleo (2) tienen distinto tamaño de manera que su capacidad de medida tiene diferentes resoluciones espaciales y diferentes rangos de temperatura según el tamaño de cada uno de dichos núcleos.