ES3070128T3 - Optical fibre sensing system and method - Google Patents

Abstract

Un sistema de detección por fibra óptica (300) con una fuente de luz incidente (309), un interrogador de espectro de longitud de onda (313) y una fibra óptica (302) con una rejilla de Bragg de fibra sustancialmente continua (306). Una porción aguas arriba (318) de la fibra óptica tiene una longitud de atenuación para la luz que llega al interrogador (313) a una primera longitud de onda de equilibrio. Una porción aguas abajo (322) de la fibra óptica refleja la luz hacia el interrogador (313) cuando un cambio de temperatura y/o tensión en la porción aguas abajo (322) provoca que una porción de la rejilla de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador (313) a una segunda longitud de onda y con una segunda intensidad. Un procesador (315) está configurado para analizar el espectro reflejado (314) y determinar cuándo una porción de la rejilla de Bragg de fibra (306) experimenta un cambio de temperatura y/o tensión, basándose en la desviación del espectro reflejado (314) respecto de un pico inicial correspondiente a la longitud de onda inicial. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Sistema y método de detección de fibra óptica

[0003] Campo de la invención

[0004] La presente invención se refiere a un sistema de detección de fibra óptica y a un método para detectar un cambio de temperatura y/o tensión.

[0005] Antecedentes

[0006] Los bobinados de campo en las máquinas superconductoras de alta temperatura (HTS) consisten en longitudes significativas de material superconductor de alta temperatura (p. ej., cinta o cable RebCo) con una inductancia en el intervalo de 1 a 10 H para máquina de clase megavatio. La detección de la pérdida de superconductividad (quench) en estas bobinas es un desafío importante utilizando la metodología de detección de tensión convencional. La metodología de detección debe operar en un entorno eléctricamente ruidoso (grandes campos magnéticos y eléctricos de corriente alterna), tener una alta sensibilidad localizada a los cambios de temperatura, operar de manera confiable a temperaturas criogénicas y ser rentable.

[0007] Los sensores de temperatura de red de Bragg de fibra (FBG) son buenos candidatos para la detección de pérdida de superconductividad en HTS debido a su baja sensibilidad EMI, su peso ligero y su pequeña invasión de calor. Sin embargo, las técnicas de FBG conocidas adolecen de inconvenientes que las hacen inadecuadas para muchas aplicaciones comerciales.

[0008] La figura 1A muestra un esquema de un sensor 100 de red de fibra de Bragg (FBG). El sensor de FBG comprende una fibra óptica 102 que tiene un revestimiento 103 y un núcleo 104. Una red 106 se inscribe en el núcleo 104 de la fibra óptica 102. La red 106 tiene una separación Λ que modula el índice de refracción 108 del núcleo 104. La red 106 refleja la luz de una determinada longitud de onda y transmite otras longitudes de onda. Una fuente 109 de luz incidente proporciona un espectro de luz incidente 110 a un extremo ascendente 112a del sensor 100. Parte de la luz incidente 110 se transmite a un extremo descendente 112b de la fibra 102 para proporcionar un espectro transmitido 111. Parte de la luz incidente 110 se refleja por la red 106 para proporcionar un espectro reflejado 114. Un interrogador 113 detecta el espectro reflejado 114. El espectro 114 de la luz retroreflejada tiene una forma característica: un pico 116 con una longitud de onda central, que se conoce como longitud de onda de Bragg λ<B>. El espectro reflejado 114 es analizado por un procesador 115.

[0009] Los sensores de FBG son sensibles a la temperatura y a la deformación. La figura 1B muestra el sensor 100 de la figura 1A sometido a un cambio de temperatura y/o deformación. Los cambios en la temperatura y la deformación cambian la separación A de la red 106, ya sea debido a la expansión térmica o al alargamiento elástico. Este cambio en la separación cambia el índice de refracción efectivo de la red 106, haciendo que se desplace el pico en el espectro reflejado 114. Los cambios de temperatura y deformación pueden medirse rastreando la longitud de onda de Bragg λ<B>. Un aumento de la temperatura o la deformación generalmente provoca que la longitud de onda de Bragg λ<B>aumente.

[0010] Los sensores de FBG suelen ser sensores puntuales con alta reflectividad y una longitud de detección de aproximadamente 10 mm. La figura 2 ilustra una técnica donde varios sensores de FBG de detección puntual 100<I>, 100<II>...100<n>están conectados en serie para formar un sensor cuasidistribuido 100a. Para diferenciar entre los puntos, cada sensor de FBG 100<I>, 100<II>...100<n>tiene una red 106<I>, 106<II>...106<n>con una longitud de onda central diferente λ<I>, λ<II>... λ<n>. Las redes 106<I>, 106<II>...106<n>se interrogan usando multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Esta técnica de interrogación es muy rápida. Sin embargo, la cantidad de sensores 100<I>, 100<II>... 100<n>por fibra 102 están limitados por la necesidad de tener una separación suficiente entre las longitudes de onda centrales λ<I>, λ<II>... λ<n>(aproximadamente 3 nm). Dependiendo de la resolución del equipo de interrogación, alrededor de 20-30 sensores 100<I>, 100<II>... se utilizarían normalmente 100<n>. Esto limita el área/longitud que puede monitorizarse simultáneamente.

[0011] La figura 3 ilustra otra técnica de FBG. Un sensor 200 de FBG continuo está formado por una serie de redes 206<I>, 206<II>, 206<III>...206<n>(que forman una longitud total de 100 mm hasta 50 m) que tienen la misma longitud de onda de Bragg λ<B>y baja reflectividad. Se usa un método de multiplexación por división de tiempo (TDM), tal como el interrogador 213 de reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR), para medir la temporización entre la luz incidente 210 proporcionada por la fuente 209 de luz incidente y la señal reflejada 214, lo que permite interrogar intervalos discretos de la fibra 202. La señal reflejada 214 se analiza por un procesador 215. La reflectividad de las redes 206<I>, 206<II>, 206<III>...206<n>debe ser muy baja para permitir que la luz incidente 210 en la longitud de onda de Bragg λ<B>recorra toda la longitud de la fibra 202. Las reflectividades de la fibra suelen ser inferiores al 0,1 % para una longitud de red de 8 mm. Esta técnica permite el interrogatorio a larga distancia, pero es relativamente lenta, tiene una resolución relativamente baja y requiere un equipo de interrogación extremadamente caro.

[0012] El documento WO 2013/093788 divulga un sensor de FBG continuo de este tipo para detectar la temperatura o el estrés. La red tiene una periodicidad constante. La reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR) se usa para procesar la señal de reflexión.

[0013] El documento US 2004/0067003 describe un sistema que requiere regiones de detección individuales discretizadas.

[0014] Un sistema de este tipo requiere que no haya superposición entre los intervalos de longitud de onda primero y segundo para detectar un cambio. Eso significa que es necesario que haya un cambio significativo en la longitud de una de las regiones de detección para que el sistema detecte el cambio.

[0015] Un objetivo de al menos las realizaciones preferidas de la presente invención es proporcionar un sistema y un método de detección de FBG que superen al menos algunos de los problemas de las técnicas de FBG conocidas y/o al menos proporcionar al público una alternativa útil.

[0016] Resumen de la invención

[0017] La presente invención proporciona un sistema de detección de fibra óptica que comprende: una fibra óptica que comprende una red de Bragg de fibra sustancialmente continua, teniendo la red de Bragg de fibra una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la fibra óptica cuando la fibra óptica está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación; una fuente de luz incidente para proporcionar luz incidente a un extremo ascendente de la fibra óptica; y un interrogador de espectro de longitud de onda para detectar un espectro reflejado de la luz incidente procedente de la fibra óptica; en donde una porción ascendente de la fibra óptica tiene una longitud de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente hacia el interrogador en una primera longitud de onda de equilibrio, y una porción descendente de la fibra óptica está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador cuando un cambio de temperatura y/o deformación en la porción descendente provoca que una parte de la red de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador en una segunda longitud de onda distinta de la longitud de onda de equilibrio y con una segunda intensidad, en donde, en la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción descendente está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda, o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda que es inferior a la segunda intensidad; el sistema de detección de fibra óptica comprende además un procesador configurado para analizar el espectro reflejado detectado que comprende un pico inicial correspondiente a la longitud de onda de equilibrio para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación en el espectro reflejado detectado con respecto al pico inicial.

[0018] En una realización, la fibra óptica tiene una longitud de al menos 100 mm.

[0019] En una realización, la red de Bragg de fibra se extiende sustancialmente a lo largo de toda la longitud de la fibra óptica.

[0020] En una realización, la fibra óptica comprende una pluralidad de redes de Bragg de fibra corta en serie para formar una red de Bragg de fibra sustancialmente continua. En una realización, las redes de Bragg de fibra corta tienen una longitud de aproximadamente 9 mm. En una realización, las redes de Bragg de fibra corta están separadas aproximadamente 1 mm.

[0021] En una realización, la fibra óptica comprende una red de Bragg de fibra continua única.

[0022] En una realización, la fibra óptica es más larga que la longitud de atenuación de la red de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica tiene al menos el doble de la longitud de atenuación de la red de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica es al menos 6 veces la longitud de atenuación de la red de Bragg de fibra.

[0023] En una realización, la reflectividad total de la red de Bragg de fibra es superior al 20 %. En una realización, la reflectividad total de la red de Bragg de fibra es superior al 50 %. En una realización, la reflectividad global de la red de Bragg de fibra es superior al 95 %. En una realización, la reflectividad global de la red de Bragg de fibra es superior al 99 %.

[0024] En una realización, el procesador está configurado para analizar el espectro reflejado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación al detectar un cambio en una envoltura del espectro reflejado con picos no separados.

[0025] En una realización, el procesador está configurado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un cambio en la dimensión del espectro reflejado.

[0026] En una realización, el procesador está configurado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo de ancho a umbral.

[0027] En una realización, el procesador está configurado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo integral de potencia.

[0028] En una realización, el procesador está configurado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo de cambio.

[0029] En una realización, el procesador está configurado para determinar cuándo una parte de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la aplicación de un peso al espectro antes de usar el algoritmo.

[0030] En una realización, la red de Bragg de fibra está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador en la segunda longitud de onda cuando se produce un cambio de temperatura y/o deformación en la porción ascendente de la fibra óptica.

[0031] En una realización, el sistema de detección de fibra óptica es capaz de determinar cuándo una porción de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como 5 Kelvin (5 °C).

[0032] En una realización, el sistema de detección de fibra óptica es capaz de determinar cuándo una porción de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como 1 Kelvin (1 °C).

[0033] La presente invención proporciona un método para detectar un cambio de temperatura y/o deformación, que comprende: proporcionar una fibra óptica que comprende una red de Bragg de fibra sustancialmente continua, teniendo la red de Bragg de fibra una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la fibra óptica cuando la fibra óptica está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación; proporcionar luz incidente a un extremo de la fibra óptica; detectar un espectro reflejado de la luz incidente desde la fibra óptica con un interrogador de espectro de longitud de onda; en donde una porción ascendente de la fibra óptica tiene una longitud de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente hacia el interrogador en una primera longitud de onda de equilibrio, y una porción descendente de la fibra óptica está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador cuando un cambio de temperatura y/o deformación en la porción descendente provoca que una parte de la red de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador en una segunda longitud de onda distinta de la longitud de onda de equilibrio y con una segunda intensidad, en donde, en la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción descendente está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda, o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda que es inferior a la segunda intensidad; en donde el espectro reflejado detectado comprende un pico inicial correspondiente a la longitud de onda de equilibrio, y el método comprende además analizar el espectro reflejado detectado utilizando un procesador para determinar cuándo una porción de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación del espectro reflejado detectado con respecto al pico inicial.

[0034] En una realización, el método se usa para detectar la aparición de un punto caliente.

[0035] En una realización, el método se usa para detectar la pérdida de superconductividad en un devanado de campo superconductor de alta temperatura.

[0036] En una realización, la red de Bragg de fibra está sujeta a una deformación térmica no homogénea de fondo que provoca la división de los picos en el espectro reflejado detectado.

[0037] El método puede realizarse usando el sistema de detección de fibra óptica resumido en relación con el primer aspecto anterior.

[0038] La expresión “que comprende”, tal como se usa en la presente memoria descriptiva y en las reivindicaciones, significa “que consiste en al menos en parte de”. Al interpretar las declaraciones de la presente memoria descriptiva y las reivindicaciones que incluyen la expresión “que comprende”, también pueden estar presentes otras características además de las características precedidas por este término en cada declaración. Los términos relacionados, tales como “comprende” y “comprendió”, deben interpretarse de manera similar.

[0039] Los términos “componente”, “módulo”, “sistema”, “interfaz” y/o similares, tal como se utilizan en la presente memoria descriptiva en relación con un procesador, generalmente, pretenden referirse a una entidad relacionada con la informática, ya sea hardware, una combinación de hardware y software, software o software en ejecución. Por ejemplo, un componente puede ser, pero no se limita a ser, un proceso que se ejecuta en un procesador, un procesador, un objeto, un ejecutable, un hilo de ejecución, un programa y/o un ordenador. A modo de ilustración, tanto una aplicación que se ejecuta en un controlador como el controlador pueden ser un componente. Uno o más componentes pueden residir dentro de un proceso y/o subproceso de ejecución y un componente puede localizarse en un ordenador y/o distribuirse entre dos o más ordenadores.

[0040] Se pretende que la referencia a un intervalo de números descrito en el presente documento (por ejemplo, del 1 al 10) también incorpore la referencia a todos los números racionales dentro de ese intervalo (por ejemplo, 1, 1,1, 2, 3, 3,9, 4, 5, 6, 6,5, 7, 8, 9 y 10) y también a cualquier intervalo de números racionales dentro de ese intervalo (por ejemplo, 2 a 8, 1,5 a 5,5 y 3,1 a 4,7) y, por lo tanto, todos los subintervalos de todos los intervalos expresamente divulgados en el presente documento quedan expresamente divulgados por la presente. Estos son solo ejemplos de lo que se pretende específicamente y se debe considerar que todas las combinaciones posibles de valores numéricos entre el valor más bajo y el valor más alto enumerados se indican expresamente en la presente solicitud de manera similar.

[0041] Tal como se usa en el presente documento, el término “(s)” que sigue a un sustantivo significa la forma plural y/o singular de ese sustantivo.

[0042] Tal como se usa en el presente documento, el término “y/o” significa “y” u “o”, o cuando el contexto permite ambos. La invención consiste en lo anterior y también prevé construcciones de las que a continuación se proporcionan solo ejemplos.

[0043] Breve descripción de los dibujos

[0044] A continuación, se describe la invención, a modo de ejemplo, haciendo referencia a los siguientes dibujos, en donde:

[0045] la figura 1A muestra un esquema de un sensor de red de Bragg de fibra (FBG) conocido;

[0046] la figura 1B muestra un esquema del sensor de la figura 1A sujeto a un cambio de temperatura y/o deformación; la figura 2 muestra un esquema de una técnica conocida en donde varios sensores de FBG de detección de puntos se conectan en serie para formar un sensor cuasidistribuido;

[0047] la figura 3 muestra un esquema de un sensor de FBG continuo conocido;

[0048] la figura 4A muestra un esquema de un sistema de detección de fibra óptica de la primera realización que comprende una FBG continua;

[0049] la figura 4B muestra un esquema del sensor de la figura 4A cuando una sección de la FBG está sujeta a un cambio de temperatura y/o deformación, una vez que se ha formado un punto caliente;

[0050] las figuras 5A-D muestran una representación esquemática de cómo cambia el espectro reflejado cuando una sección de la FBG de la figura 4A experimenta un cambio de temperatura y/o deformación;

[0051] la figura 6 muestra una serie de espectros reflejados por la FBG de la figura 4A cuando se aplica un punto caliente a una sección de la FBG;

[0052] la figura 7 muestra el espectro reflejado en equilibrio inicial y el espectro reflejado final de la figura 6 superpuestos entre sí;

[0053] la figura 8A muestra un algoritmo de ancho a umbral aplicado al espectro reflejado cuando la FBG de la figura 4A está en una condición de equilibrio (sin punto caliente);

[0054] la figura 8B muestra el algoritmo de ancho a umbral de la figura 8A cuando la FBG está sujeta a un punto caliente; la figura 9A muestra el área determinada por el algoritmo de integral de potencia cuando la FBG de la figura 4A está en una condición de equilibrio (sin punto caliente);

[0055] la figura 9B muestra el área determinada por el algoritmo de integral de potencia de la figura 9A cuando la FBG está sujeta a un punto caliente;

[0056] la figura 10A muestra el espectro final de la figura 7 restado del espectro inicial de la figura 7.

[0057] la figura 10B muestra el valor absoluto de la figura 10A, cuya área está determinada por el algoritmo de cambio; la figura 11 muestra un esquema de una configuración de prueba experimental;

[0058] las figuras 12A-B muestran los resultados iniciales obtenidos de la configuración de prueba experimental de la figura 11 aproximadamente a 77 K (-196 °C);

[0059] la figura 13 muestra una comparación de la respuesta de los sensores de la configuración de prueba experimental de la figura 11;

[0060] las figuras 14A-B muestran una comparación de la respuesta normalizada para los algoritmos de ancho a umbral, integral de potencia, cambio e integral de potencia ponderada;

[0061] la figura 15 muestra una comparación del algoritmo de cambio con la respuesta de una FBG convencional y con una medición de termopar.

[0062] Descripción detallada de las realizaciones preferidas

[0063] Haciendo referencia a la figura 4A, un sistema 300 de detección de fibra óptica comprende una fibra óptica 302 que comprende una red 306 de Bragg de fibra (FBG) sustancialmente continua, una fuente 309 de luz incidente para proporcionar luz incidente 310 a un extremo ascendente 312 de la fibra óptica 302, un interrogador 313 de espectro de longitud de onda para detectar un espectro reflejado 314 de la luz incidente 310 desde la fibra óptica 302 y un procesador 315 configurado para analizar el espectro reflejado 314 detectado para determinar si o cuándo una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación.

[0064] En un ejemplo, el interrogador 313 de espectro de longitud de onda es un interrogador de multiplexación por división de longitud de onda (WDM). En realizaciones alternativas, el interrogador 313 de espectro de longitud de onda puede ser cualquier interrogador adecuado, tal como un analizador de espectro óptico o un espectrómetro.

[0065] El procesador 315 puede ser una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento de gráficos (GPU), un procesador de señales digitales (DSP), un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), un circuito integrado de radiofrecuencia (RFIC) o cualquier combinación adecuada de los mismos.

[0066] La fibra óptica 302 tiene un revestimiento 303 y un núcleo 304. La red 306 de Bragg de fibra está inscrita en el núcleo 304 de la fibra óptica 302.

[0067] La red 306 de Bragg de fibra tiene una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la fibra óptica 302 cuando la fibra óptica 302 está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación. Una porción ascendente 318 de la fibra óptica 302 tiene una longitud L de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente 310 al interrogador 313 en una primera longitud de onda λ<I>de equilibrio. Una porción descendente 320 de la fibra óptica 302 está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador 313 cuando un cambio de temperatura y/o deformación en la porción descendente 320 provoca que una parte de la red 306 de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador en una segunda longitud de onda λ<II>distinta de la longitud de onda λ<I>de equilibrio y en una segunda intensidad. En la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción descendente 320 está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda λ<II>o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda λ<II>que es inferior a la segunda intensidad.

[0068] El procesador 315 está configurado para analizar el espectro reflejado que detecta el interrogador 313 para determinar si una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación en el espectro reflejado detectado con respecto a un pico inicial correspondiente a la longitud de onda λ<I>de equilibrio.

[0069] La red 306 de Bragg de fibra se extiende sustancialmente a lo largo de toda la longitud de la fibra óptica 302.

[0070] La expresión “red de Bragg de fibra continua”, tal como se usa en el presente documento, incluye redes de Bragg de fibra sustancialmente continuas/cuasicontinuas. En una realización, la fibra óptica comprende una pluralidad de redes de Bragg de fibra corta en serie para formar una red de Bragg de fibra sustancialmente continua. La separación entre las redes de Bragg de fibra corta es menor que la longitud de las redes. En una realización, las redes de Bragg de fibra corta tienen una longitud de aproximadamente 9 mm y las redes de Bragg de fibra corta están separadas aproximadamente 1 mm. Una serie de redes de Bragg de fibra corta es actualmente el método de fabricación más factible para una FBG sustancialmente continua. En una realización alternativa, las redes de Bragg de fibra pueden tener cualquier longitud adecuada, por ejemplo, aproximadamente 20 mm de largo o aproximadamente 30 mm de largo. Las redes de Bragg de fibra pueden estar separadas por cualquier separación adecuada, por ejemplo, 2, 3, 4 o 5 mm.

[0071] En una realización, la fibra óptica 302 comprende una única red de Bragg de fibra continua.

[0072] El sistema 300 de detección de fibra óptica es capaz de detectar rápidamente un cambio de temperatura y/o deformación en cualquier lugar a lo largo de la longitud de la fibra óptica 302. En particular, el procesador 315 puede detectar un cambio inicial en el espectro reflejado para determinar rápidamente cuándo una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación.

[0073] La porción ascendente 318 de la fibra óptica 302 “sombrea” de manera efectiva la porción descendente 320 de la fibra 302 de la luz incidente en la longitud de onda λ<I>de equilibrio. Cuando la fibra óptica 302 está en una condición de equilibrio (temperatura y deformación uniformes), la porción descendente 320 de la fibra óptica 302 no refleja sustancialmente la luz y el espectro reflejado 314 que se detecta por el interrogador 313 y se analiza por el procesador 315 tiene un único pico 316<I>.

[0074] Haciendo referencia a la figura 4B, cuando una sección 322 de la FBG 306 está sujeta a un cambio de temperatura y/o deformación, el índice de refracción de la sección 322 cambia. La luz se refleja por la sección 322 en una segunda longitud de onda λ<II>que es diferente de la longitud de onda λ<I>de equilibrio y aparece un pico adicional 316<II>en el espectro reflejado 314 que se detecta por el interrogador 313 y se analiza por el procesador 315.

[0075] Como se muestra y describe haciendo referencia a las figuras 5A-D y 6, los picos λ<I>y λ<II>se separarán con el tiempo a medida que aumente la temperatura (por ejemplo, cuando se forma un punto caliente). A diferencia del sistema del documento US 2004/0067003, por ejemplo, no es necesario que el espectro reflejado tenga picos de longitud de onda discretos completamente separados para que el sistema 300 de detección de fibra óptica detecte el cambio de temperatura y/o deformación en la fibra 302. En cambio, con el presente sistema, los picos 316<I>y 316<I>de longitud de onda pueden superponerse parcialmente. El procesador 315 puede analizar el espectro reflejado para determinar cuándo una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación al detectar un cambio en una envolvente del espectro reflejado con picos no separados.

[0076] La sección 322 puede estar en cualquier parte a lo largo de la FBG 306, incluso dentro de la longitud L de atenuación. La red 306 de Bragg de fibra está adaptada para reflejar la luz al interrogador en la segunda longitud de onda λ<II>cuando se produce un cambio de temperatura y/o deformación en la porción ascendente 318 (que tiene una longitud L de atenuación) de la fibra óptica 302. Cuando la sección 322 está dentro de la porción ascendente 318, la luz se refleja en la segunda longitud de onda λ<II>, que es diferente de la longitud de onda λ<I>de equilibrio. Debido a que la porción descendente 320 de la fibra óptica 302 tiene la misma separación de red que la porción ascendente 318, la luz continuará reflejándose en la longitud de onda λ<I>de equilibrio cuando la sección 322 esté dentro de la porción ascendente 318. El espectro reflejado 314 será sustancialmente el mismo para una sección 322 dentro de la porción ascendente 318 que para una sección 322 dentro de la porción descendente 320.

[0077] Adhesivo

[0078] Es preferible que la fibra óptica 302 esté en contacto térmico y/o mecánico íntimo con el objeto que está midiendo (por ejemplo, cinta/cable de HTS). La fibra óptica 302 se puede adherir al objeto usando cualquier adhesivo adecuado. El adhesivo puede ser un adhesivo retirable, tal como grasa para aspiradoras, GE Vanish o cinta Kapton. El adhesivo puede ser un adhesivo permanente, tal como epoxi. En una realización, el adhesivo está diseñado específicamente para temperaturas criogénicas.

[0079] Comparación con las FBG continuas conocidas

[0080] A diferencia de los sensores 200 de FBG continuos conocidos que utilizan técnicas de interrogación TDM (véase la figura 3), el sistema 300 de detección de fibra óptica no requiere una alta proporción de luz incidente en la longitud de onda λ<I>de equilibrio para recorrer toda la longitud de la fibra óptica 302. Esto permite que el sistema 300 de detección de fibra óptica utilice una FBG 306 con una reflectividad significativamente mayor que las FBG 206 utilizadas en los sensores 200 de FBG continuos conocidos. Las FBG de mayor reflectividad proporcionan una señal de mayor resolución y requieren interrogadores menos sensibles que las FBG de baja reflectividad.

[0081] El sistema 300 de detección de fibra óptica permite detectar rápidamente los cambios de temperatura y/o deformación a larga distancia, utilizando un interrogador de espectro de longitud de onda que tiene un elemento (red) de dispersión fijo simple y un detector de intensidad relativamente simple, tal como un dispositivo de carga acoplada (CCD) o un detector lineal. En una realización, la fibra óptica tiene una longitud de al menos 100 mm. En una realización, la fibra óptica tiene al menos 1 m de longitud. En una realización, la fibra óptica tiene una longitud de al menos 100 m. La fibra óptica puede tener una longitud de hasta varios cientos de metros o varios kilómetros.

[0082] El sistema 300 de detección de fibra óptica no determina la ubicación de un cambio de temperatura y/o deformación, solo si se ha producido un cambio. Esto hace que el sistema 300 de detección de fibra óptica sea adecuado para aplicaciones en donde se requiere una identificación rápida de los cambios de temperatura y/o deformación, pero en donde la ubicación de los cambios no es importante. Por ejemplo, para la detección de pérdida de superconductividad en una bobina de HTS, es más importante identificar que se puede estar produciendo un punto caliente en lugar de una ubicación precisa del punto caliente.

[0083] Longitud de atenuación

[0084] [0057]En una realización, la porción ascendente 318 está definida por la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. La longitud L de atenuación es la distancia desde el extremo ascendente 312 de la fibra óptica 302 en donde se refleja 1/e (aproximadamente el 63 %) de la luz incidente 310 en la longitud de onda λ<I>de equilibrio. A una distancia de 2 L del extremo ascendente 312, se refleja aproximadamente el 86 % de la luz incidente 310 en la longitud de onda λ<I>de equilibrio. A una distancia de 6L del extremo ascendente 312, se refleja aproximadamente el 99,8 % de la luz incidente 310 en la longitud de onda λ<I>de equilibrio.

[0085] En las realizaciones preferidas, la fibra óptica 302 es más larga que la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica 302 tiene al menos el doble de la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica 302 es al menos 6 veces la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica 302 es al menos 1000 veces la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica 302 es al menos 10.000 veces la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra. En una realización, la fibra óptica 302 es al menos 100.000 veces la longitud L de atenuación de la red 306 de Bragg de fibra.

[0086] Reflectividad

[0087] La longitud L de atenuación es inversamente proporcional a la reflectividad de la FBG 306. Una reflectividad más alta por unidad de longitud de la FBG 306 da como resultado una longitud L de atenuación más corta. Una reflectividad más alta mejora ventajosamente la resolución que puede detectar un interrogador. Sin embargo, los sensores de FBG continuos conocidos (véase la figura 3) requieren una reflectividad global baja para permitir que el interrogador de TDM detecte una señal a lo largo de la fibra óptica. Los sensores de FBG continuos conocidos suelen tener una reflectividad global inferior al 20 % a lo largo de toda la longitud de la fibra.

[0088] Preferiblemente, la reflectividad global de la red 306 de Bragg de fibra es superior al 20 % a lo largo de toda la longitud de la fibra óptica 302. En una realización, la reflectividad total de la red 306 de Bragg de fibra es superior al 50 %. En una realización, la reflectividad global de la red 306 de Bragg de fibra es superior al 95 %. En una realización, la reflectividad global de la red 306 de Bragg de fibra es superior al 99 %. En una realización, la reflectividad global de la red 306 de Bragg de fibra se acerca al 100 %.

[0089] Método

[0090] Un método para detectar un cambio de temperatura y/o deformación comprende proporcionar una fibra óptica 302 que comprende una red 306 de Bragg de fibra sustancialmente continua, teniendo la red 306 de Bragg de fibra una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la fibra óptica 302 cuando la fibra óptica 302 está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación; proporcionar luz incidente a un extremo de la fibra óptica 302; detectar un espectro reflejado 314 de la luz incidente procedente de la fibra óptica 302 con un interrogador 313 de espectro de longitud de onda; y analizar el espectro reflejado 314 para determinar si una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación o cuándo lo está.

[0091] Una porción ascendente 318 de la fibra óptica 302 tiene una longitud L de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente al interrogador 313 en una primera longitud de onda λ<I>de equilibrio, y una porción descendente 320 de la fibra óptica 302 está adaptada para reflejar la luz al interrogador 313 cuando un cambio de temperatura y/o deformación en la porción descendente 320 provoca que una parte de la red 306 de Bragg de fibra refleje la luz al interrogador 313 en una segunda longitud de onda λ<II>distinta de la longitud de onda λ<I>de equilibrio y a una segunda intensidad, en donde, en la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción descendente 320 está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda λ<II>, o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda λ<II>que es inferior a la segunda intensidad.

[0092] El método comprende analizar el espectro 314 reflejado detectado utilizando el procesador 315 para determinar cuándo una porción de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación en el espectro reflejado detectado con respecto a un pico inicial 316<I>correspondiente a la longitud de onda λ<I>de equilibrio.

[0093] En un ejemplo, el interrogador 313 de espectro de longitud de onda es un interrogador de multiplexación por división de longitud de onda (WDM).

[0094] En una realización, el método se usa para detectar la aparición de un punto caliente. En una realización, el método se usa para detectar la pérdida de superconductividad en un devanado de campo superconductor de alta temperatura.

[0095] Ilustración esquemática del espectro reflejado

[0096] Las figuras 5A-D muestran una representación esquemática de cómo cambia el espectro reflejado 314 cuando una sección 322 de la FBG 306 experimenta un cambio de temperatura y/o deformación. Estas figuras también muestran un ejemplo de cómo puede analizarse una anchura del espectro reflejado a una intensidad umbral (50 % en este caso) para determinar si una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación o cuándo lo está.

[0097] La figura 5A muestra el espectro reflejado 314 cuando la fibra óptica 302 está en una condición de equilibrio. El espectro 314 tiene un único pico 316<I>con una longitud de onda central en la longitud de onda de equilibrio λ<I>. Al 50 % de la intensidad máxima del pico 316<I>, el pico 316<I>tiene un ancho T.

[0098] La figura 5B muestra el espectro reflejado 314 cuando un punto caliente comienza a desarrollarse en o cerca de una sección 322 de la FBG 306. El pico 316<I>comienza a ensancharse y la longitud de onda central se mueve hacia la derecha en Δλ. La anchura W al 50 % de la intensidad máxima aumenta en ΔT.

[0099] La figura 5C muestra el espectro reflejado 314 a medida que el punto caliente continúa desarrollándose. El pico 316 comienza a dividirse en dos picos distintos 316<I>, 316<II>. La anchura T al 50 % de la intensidad máxima sigue aumentando.

[0100] La figura 5D muestra el espectro reflejado 314 una vez que el punto caliente está bien establecido. Los picos 316<I>, 316<II>se han separado completamente. La anchura T al 50 % de la intensidad máxima, determinada a partir de los bordes exteriores de los picos 316<I>, 316<II>, es ahora significativamente más ancha de lo que era en la condición de equilibrio.

[0101] Las figuras 5A-D representan un escenario ideal. En realidad, los picos 316<I>, 316<II>comprenden muchos picos y valles más pequeños, y no son tan distintos entre sí como sugieren estas figuras. El escenario del mundo real se analizará con más detalle a continuación.

[0102] FBG experimental

[0103] Los siguientes resultados experimentales utilizaron una fibra óptica 302 que comprendía una cadena de FBG cortas idénticas fabricadas utilizando la tecnología de inscripción Draw Tower Grating (DTG<®>). Las FBG cortas se colocaron con una distancia muy pequeña entre cada red individual para formar una FBG 306 casi continua. Cada FBG corta tenía 9 mm de largo.

[0104] La distancia entre cada FBG corta era de 1 mm. Cada FBG corta tenía una longitud de onda nominal de Bragg de 1550 nm (a una deformación cero y a temperatura ambiente). La reflectividad de las FBG cortas fue de alrededor del 25 % para una red de 9 mm. Preferiblemente, la reflectividad de las FBG cortas es superior al 15 %. Las redes de mayor reflectividad permiten ventajosamente detectar puntos calientes de menor longitud.

[0105] El espectro reflejado se analizó utilizando un Anritsu MS9740A, que permitió la detección de longitudes de onda en el intervalo de 600 a 1750 nm. El rango espectral se estableció en 2 nm para los experimentos, lo que permitió intervalos de muestreo de alrededor de 100 ms.

[0106] Se aplicó un punto caliente a una sección de la FBG continua 306 usando un calentador.

[0107] Análisis del espectro reflejado

[0108] La figura 6 muestra una serie de espectros reflejados 314a-314f, reflejados por la FBG 306 cuando se aplica un punto caliente a una sección 322 de la FBG 306. Inicialmente, en la condición de equilibrio, el espectro 314a tiene un único pico 316<I>. Cuando la FBG 306 está sujeta a un punto caliente, el espectro 314b-314f desarrolla un segundo pico 316<II>. Se puede observar que el segundo pico 316<II>ha comenzado a desarrollarse y se ha detectado en aproximadamente 2,5 segundos. El segundo pico 316<II>continúa ganando intensidad y alejándose del primer pico 316<I>a medida que se desarrolla el punto caliente.

[0109] La figura 7 muestra el espectro 314a reflejado en equilibrio inicial y el espectro 314f reflejado final cuando la FBG 306 está sujeta a un punto caliente superpuesto entre sí. El espectro 314f, sujeto a un punto caliente, tiene claramente un segundo pico 316<II>que no está presente en el espectro 314a reflejado en equilibrio.

[0110] Hay varias maneras en donde el procesador 315 puede configurarse para determinar si una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un cambio en la dimensión del espectro reflejado 314 o cuándo lo está. A continuación se analizan varios algoritmos posibles. Explicación de la terminología

[0111] Un interrogador FBG 313 detecta un espectro 316. Los datos espectrales consisten en una serie de puntos de muestreo en longitudes de onda discretas. Se registra un nivel de intensidad para cada punto de muestreo. Un intervalo de longitud de onda común entre dos puntos de muestreo individuales sería de 0,010 nm, pero esto depende del interrogador utilizado.

[0112] El número de puntos de muestreo es:

[0113] La longitud de onda al principio del espectro 316 es la longitud de onda inicial. La longitud de onda al final del espectro 316 es la longitud de onda de parada. El intervalo de longitud de onda del espectro 316 es el rango.

[0116]

[0118] La distancia entre dos puntos de muestreo es la resolución de la longitud de onda.

[0121]

[0123] El tiempo entre el registro y el análisis de dos espectros individuales es el tiempo de muestreo. La frecuencia de muestreo es la inversa del tiempo de muestreo.

[0126]

[0128] Por ejemplo, un tiempo de muestreo de 100 ms conduce a una frecuencia de muestreo de 10 Hz.

[0129] Las intensidades en los puntos de muestreo individuales se denominan:

[0130] i1

ain

[0131] Las longitudes de onda en los puntos de muestreo individuales se denominan:

[0132] λ1aλn

[0133] El conjunto de intensidades en los puntos de muestreo individuales es I:

[0136]

[0138] Introducimos una matriz 1-D W de tamaño n como peso lineal:

[0141]

[0143] Algoritmo de ancho a umbral

[0144] En una realización, el procesador 315 está configurado para determinar si una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, o cuándo lo está, basándose en un algoritmo de ancho a umbral.

[0145] Este algoritmo es similar a un algoritmo de medio máximo de ancho completo. Sin embargo, no se limita al umbral de “medio máximo” y puede aplicarse a formas espectrales que no se asemejan necesariamente a un solo pico. La distancia entre el primer pico 316<I>y el segundo pico 316<II>es proporcional al cambio de temperatura que provocó la aparición del segundo pico 316<II>. Esto significa que el algoritmo de ancho a umbral puede utilizarse para dar un valor cuantitativo de la diferencia de temperatura entre el punto más frío y el más caliente.

[0146] La figura 8A muestra el algoritmo de ancho a umbral aplicado al espectro reflejado 314 cuando la FBG 306 está en una condición de equilibrio. La figura 8B muestra el algoritmo de ancho a umbral aplicado al espectro reflejado 314 cuando la FBG 306 está sujeta a un punto caliente.

[0147] El algoritmo se aplica de la siguiente manera:

[0148] 1. Decide un nivel de umbral. Por ejemplo, el umbral se establece en el 25 % de la amplitud máxima del pico.

[0151]

[0153] En general: 0< cumbral <1

[0154] 2. Normalizar la amplitud máxima del pico del espectro.

[0155]

[0157] Para simplificar, ahora nos referimos a las intensidades normalizadas en los puntos de muestreo individuales comoi1a in.

[0158] 3. Iniciar desde el lado izquierdo del espectro (la longitud de onda inicial) y moverse hacia la derecha (en la dirección del aumento de la longitud de onda) para determinar la longitud de onda en donde la intensidad alcanza por primera vez un valor por encima del umbral establecido (en este caso, una amplitud de 0,25).

[0159] 4. Determinar la longitud de onda exacta (ubicación) en donde se alcanza el umbral mediante la interpolación lineal entre los puntos de datos a cada lado del umbral.

[0160] Expresado en forma de código:

[0163]

[0165] 5. Iniciar desde la derecha del espectro (la longitud de onda de parada) y moverse hacia la izquierda (en la dirección de la longitud de onda decreciente) para determinar la longitud de onda en donde la intensidad alcanza por primera vez un valor por encima del umbral establecido.

[0166] 6. Determinar la longitud de onda exacta (ubicación) en donde se alcanza el umbral mediante la interpolación lineal entre los puntos de datos a cada lado del umbral.

[0167] Expresado en forma de código:

[0170]

[0172] 7. La distancia entre las dos longitudes de onda en donde se alcanza el umbral da el valor del “ancho a umbral”. Este valor puede usarse para detectar un punto caliente en evolución.

[0175]

[0177] El nivel de umbral determina la geometría/longitud del punto caliente que es visible. El umbral debería elegirse para garantizar que se detecte la longitud mínima del punto caliente:

[0180]

[0182] El nivel de umbral también debería elegirse de manera que esté significativamente por encima de los niveles de ruido de fondo. Dependiendo de la configuración del sistema, puede ser adecuado un umbral entre el 10 % y el 50 %.

[0183] Algoritmo integral de potencia

[0184] En una realización, el procesador 315 está configurado para determinar si una porción de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, o cuándo lo está, basándose en un algoritmo integral de potencia.

[0185] La figura 9A muestra el área (área bajo la curva AUC) determinada por el algoritmo de integral de potencia para el espectro reflejado 314 cuando la FBG 306 está en una condición de equilibrio. La figura 9B muestra el área (área bajo la curva A.U.C.) determinada por el algoritmo de integral de potencia para el espectro reflejado 314 cuando la FBG 306 está sujeta a un punto caliente.

[0186] Una integral es el área bajo una curva. Un aumento en el área bajo la curva (espectro) indica un punto caliente.

[0187] El algoritmo de integral de potencia se expresa matemáticamente como:

[0190]

[0192] Comodλes constante para todos los puntos de datos de la matriz de intensidad I, un enfoque simplificado consiste en sumar las intensidades individuales en cada punto de muestreo:

[0195]

[0197] A diferencia del algoritmo de ancho a umbral, no es necesario normalizar I para el algoritmo de integral de potencia.

[0198] Algoritmo de cambio

[0199] En una realización, el procesador 315 está configurado para determinar si una porción de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, o cuándo lo está, basándose en un algoritmo de cambio.

[0200] El algoritmo de cambio compara las intensidades en los puntos de muestreo individuales de una medición actual con las intensidades de los mismos puntos de muestreo de una medición anterior, o con un promedio de las mediciones anteriores.

[0201] La intensidad de la medición actual es:It

[0202] La intensidad de una medición anterior es:It-1

[0203] It<-1>puede ser solo la medición de intensidad anterior. Alternativamente,It-1

puede ser cualquier otra medición de intensidad individual, tal como una medición de intensidad inicial. Alternativamente,It-1

puede ser un promedio de varias (k) mediciones de intensidad. Por ejemplo,It-1

puede ser un promedio de k = 300 mediciones (30 segundos para una frecuencia de muestreo de 100 ms).

[0204] El algoritmo de cambio examina la diferencia en la forma del espectro reflejado 314 en dos momentos diferentes. Haciendo referencia a la figura 7, el espectro reflejado 314 cambia de intensidad entre el espectro reflejado 314a de equilibrio inicial y el espectro reflejado 314f final cuando la FBG 306 está sujeta a un punto caliente.

[0205] La figura 10A muestra el espectro final 314f (tiempo t) restado del espectro inicial 314a (tiempo t-1).

[0206] La figura 10B muestra el valor absoluto de la figura 10A. El algoritmo de cambio considera todos los cambios, positivos y negativos. El cambio global puede calcularse mediante la integral (área bajo la curva) de la figura 10B.

[0207] El algoritmo de cambio se expresa matemáticamente como:

[0210]

[0211] Comodλes constante para todos los puntos de datos de la matriz de intensidad I, un enfoque simplificado consiste en sumar las intensidades individuales en cada punto de muestreo:

[0214]

[0216] El algoritmo de cambio también puede realizarse en un espectro de intensidad que se ha transformado previamente en espacio-frecuencia utilizando una transformación rápida de Fourier (FFT). El análisis frecuenciaespacio puede ser particularmente útil en ciertas aplicaciones debido a que no es sensible a los cambios de temperatura uniformes. La FFT puede utilizarse para crear una “huella digital” que se puede utilizar para detectar cambios. Por ejemplo, si una red larga está a una temperatura uniforme, los componentes de frecuencia estarán relativamente limitados a un solo pico. Si la temperatura de todo el sensor se eleva de manera uniforme, no se observa ningún cambio en la FFT. Si el sensor está sujeto a un punto caliente, aparecerá una segunda frecuencia duplicada en la FFT.

[0217] A diferencia del algoritmo de ancho a umbral, no es necesario normalizar I para el algoritmo de integral de potencia.

[0218] Peso

[0219] En una realización, el procesador 315 está configurado para determinar si una porción de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, o cuándo lo está, basándose en la aplicación de un peso al espectro antes de usar el algoritmo.

[0220] Puede aplicarse una ponderación a cualquiera de los algoritmos descritos anteriormente. El peso está, generalmente, en una forma que aplica una mayor ponderación a los movimientos espectrales a una longitud de onda más alta (como cabría esperar cuando se produce un punto caliente) que a los movimientos espectrales a una longitud de onda más baja.

[0221] Integral de potencia ponderada

[0222] A modo de ejemplo, se describe, a continuación, una ponderación aplicada al algoritmo de integral de potencia.

[0223] Para la integral de potencia ponderada, la intensidad se multiplica por un peso antes de calcular la integral.

[0226]

[0228] El peso puede ser lineal:

[0231]

[0233] Alternativamente, la ponderación puede ser cuadrática:

[0236]

[0238] Alternativamente, el peso puede ser de cualquier otra forma donde:

[0241]

[0243] para la integral de potencia ponderada, es importante seleccionar la sección del espectro de tal manera que el ruido en el extremo lejano del espectro no supere la señal. En una modalidad, el espectro se selecciona para que sea ± 1-2 nm del pico principal 316 de FBG<I>.

[0244] Como anteriormente, la integral de potencia ponderada puede simplificarse para:

[0247]

[0248] Configuración de pruebas experimentales

[0249] La figura 11 muestra un esquema de una configuración de prueba experimental. La cinta 324 superconductora de alta temperatura (HTS) se sujetó a una placa base 326. Se colocó un calentador 328 en contacto íntimo con la cinta 324 HTS. Nueve termopares TC1 a TC9 separados entre sí se unieron a la cinta 324 HTS para proporcionar mediciones de temperatura independientes en función de la posición. Los nueve termopares se colocaron en una línea, separados por 8 mm entre cada termopar. El termopar 5 (TC5) estaba asentado directamente encima del punto caliente/calentador.

[0250] Un sensor 100a de FBG cuasidistribuido que comprendía cinco redes cortas (técnica estándar) se unió a la cinta 324 HTS. El sensor 100a cuasidistribuido tenía redes de 8 mm con una separación de 8 mm entre las redes. Las cinco redes del sensor 100a cuasidistribuido se colocaron de modo que cada red fuera adyacente a uno respectivo de los termopares TC1, TC3, TC5, TC7 y TC9.

[0251] Sobre la cinta 324 HTS se colocó un sistema 300 de detección de fibra óptica que comprendía una FBG continua 306 formada a partir de una cadena poco separada de las FBG cortas, tal como se ha descrito anteriormente. La fibra óptica 302 del sistema 300 de detección de fibra óptica se colocó directamente al lado del sensor 100a de FBG cuasidistribuido.

[0252] Los termopares TC1 a TC9, el sensor 100a de FBG cuasidistribuido y la fibra óptica 302 se unieron a la cinta 324 HTS usando un adhesivo adecuado.

[0253] Resultados de las pruebas

[0254] La configuración se probó a temperatura ambiente, 0 °C y varias temperaturas criogénicas sin variaciones significativas. La configuración se enfrió luego a alrededor de 77 K (-196 °C).

[0255] La figura 12A y la figura 12B muestran los resultados iniciales obtenidos a aproximadamente 77 K (-196 °C). La figura 12A y la figura 12B muestran el tiempo en donde se encendió el calentador (gris), la temperatura medida en el termopar central (TC5, línea más oscura) y la respuesta del sistema 300 de detección de fibra óptica (línea más clara con marcadores x). La red continua 306 se interrogó utilizando el algoritmo de ancho a umbral con el umbral establecido en el 25 % de la amplitud máxima.

[0256] Es visible una respuesta clara del sensor 300 incluso a pequeños cambios de temperatura. Las diferencias de temperatura tan pequeñas como alrededor de 1 K (1 °C) son fácilmente detectables. Es decir, el sistema 300 es capaz de determinar cuándo una porción de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como alrededor de 1 Kelvin (1 °C).

[0257] Comparación con una técnica de detección cuasidistribuida

[0258] La figura 13 muestra una comparación de la respuesta de cada una de las FBG cortas en el sensor 100a cuasidistribuido y la respuesta del sistema 300 de detección de fibra óptica. La FBG corta colocada directamente sobre el calentador (en TC5) responde ligeramente más rápido que la FBG continua 306. Sin embargo, las FBG que no están ubicadas directamente en el calentador responden con un retraso significativo en el tiempo y una reducción de amplitud, en comparación con la FBG continua 306. A menos que se coloque una única red corta a 8 mm del punto caliente, la FBG continua 306 detectará el punto caliente más rápido de lo que puede detectarse usando el sensor 100a cuasidistribuido.

[0259] En la práctica, es imposible predecir la ubicación precisa en donde surgirán puntos calientes en una bobina superconductora. Es ventajoso usar un sensor que tenga una red continua 306, tal como el sistema 300 de detección de fibra óptica, en lugar de un sensor 100a de FBG cuasidistribuido. Una FBG continua 306 es capaz de cubrir una mayor longitud (o área, si está dispuesta en una bobina).

[0260] Comparación de diferentes algoritmos

[0261] La elección del algoritmo depende de varios factores, incluida la velocidad de cálculo, la sensibilidad a los cambios iniciales y la solidez a la deriva a largo plazo. Diferentes algoritmos pueden ser más adecuados para ciertas aplicaciones dependiendo del tipo de procesador utilizado y el espectro particular reflejado por el sensor.

[0262] La figura 14A muestra una comparación de la respuesta normalizada para los algoritmos de ancho a umbral, integral de potencia, cambio e integral de potencia ponderada tratados anteriormente. La figura 14B muestra un primer plano de la porción inicial de la respuesta. La integral de potencia, la integral de potencia ponderada y el algoritmo de cambio responden todos al mismo tiempo. El algoritmo de ancho a umbral se retrasa 0,1 segundos (tiempo de muestreo). Ambas integrales de potencia indican primero el cambio con una respuesta negativa. En algunas realizaciones, esta característica podría utilizarse como desencadenante.

[0263] La figura 15 muestra una comparación del algoritmo de cambio tanto con la respuesta de una FBG convencional (corta, de 8 mm de largo) como con la medición de un termopar. Ambos se colocaron directamente sobre el punto caliente (calentador). Todas las mediciones se registraron simultáneamente. La parte gris indica cuándo se encendió el calentador. La figura 15 muestra que el algoritmo de cambio responde tan rápido como una FBG corta convencional a la presencia de un punto caliente.

[0264] Aplicaciones prácticas y ventajas

[0265] El sistema 300 de detección de fibra óptica puede ser adecuado para detectar la pérdida de superconductividad en aplicaciones superconductoras de alta temperatura (HTS). Se han llevado a cabo experimentos en una cinta HTS recta utilizando una FBG continua de 100 mm (10 redes con 9 mm de longitud). También se han llevado a cabo experimentos con una cinta HTS enrollada utilizando una FBG continua de 500 mm (50 redes con 9 mm de longitud). A 77 Kelvin (-196,15 °C) se han detectado puntos calientes con una diferencia de temperatura tan pequeña como 5 K (5 °C). Es decir, el sistema 300 es capaz de determinar cuándo una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como 5 Kelvin (5 °C). El sistema 300 de detección de fibra óptica puede usarse para una mitigación rápida y eficiente de la pérdida de superconductividad.

[0266] La detección sensible de pequeños cambios de temperatura en las aplicaciones de HTS es importante para evitar la pérdida de superconductividad. Un sistema del tipo descrito, haciendo referencia a la figura 3, solo detectaría el cambio de temperatura lentamente, momento en donde el refuerzo positivo provocaría una fuga térmica y la pérdida de superconductividad podría no ser recuperable.

[0267] Un sistema del tipo descrito en el documento US 2004/0067003 solo detectaría el cambio de temperatura si es lo suficientemente alto como para que se hayan formado picos de longitud de onda discretos completamente separados. Una vez más, en ese momento el refuerzo positivo provocaría una fuga térmica y la pérdida de superconductividad podría no ser recuperable.

[0268] La FBG continua 306 puede interrogarse mientras está sujeta a una deformación térmica no homogénea de fondo (por ejemplo, debido a la flexión alrededor de una trayectoria curva o a propiedades del material no homogéneas). Esta deformación da lugar a la división de los picos en el espectro reflejado 314. Estos picos múltiples y “desordenados” no pueden interrogarse fácilmente por los sistemas de interrogación convencionales diseñados para sondear la respuesta simétrica de un sensor de FBG de “pico único”.

[0269] Los algoritmos de la presente divulgación observan una desviación en el espectro 314 reflejado detectado con respecto al pico inicial correspondiente a la longitud de onda de equilibrio, lo que permite detectar la formación de puntos calientes ubicados a lo largo de la fibra óptica 302. Esto es posible debido a que la señal de la longitud extendida de la fibra óptica 302 solo se detecta cuando la longitud de onda se desplaza al menos ligeramente fuera del “pico de enmascaramiento” formado por la reflexión de alta intensidad que se produce en la sección delantera muy corta de la fibra.

[0270] No es necesario que el espectro reflejado tenga picos de longitud de onda discretos completamente separados para que el sistema 300 de detección de fibra óptica detecte el cambio de temperatura y/o deformación en la fibra 302. El procesador 315 puede analizar el espectro reflejado para determinar cuándo una parte de la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación al detectar un cambio en una envolvente del espectro reflejado con picos no separados. Esto significa que el sistema 300 de detección de fibra óptica puede detectar cuándo la red 306 de Bragg de fibra está experimentando un cambio inicial de temperatura y/o deformación, lo que permite una detección rápida y una alta sensibilidad a pequeños cambios de temperatura y/o deformación.

[0271] La fibra óptica 302 del sistema 300 de detección de fibra óptica puede ser muy larga, hasta varios cientos de metros o varios kilómetros de longitud, lo que permite que se extienda por todo un elemento de interés (por ejemplo, una bobina de HTS). A diferencia de los sensores de FBG largos conocidos, el sistema 300 de detección de fibra óptica puede mantener una sensibilidad a la temperatura muy alta y puede interrogarse usando un interrogador 313 WDM estándar.

[0272] Además de la detección de pérdida de superconductividad en aplicaciones de HTS, el sistema 300 de detección de fibra óptica puede ser útil para otras aplicaciones en donde la detección de puntos calientes es importante, como otros sistemas criogénicos o bobinas a temperatura ambiente, como transformadores y bobinados de motores. Algunas otras aplicaciones posibles para el sistema 300 de detección de fibra óptica incluyen:

[0273] Aeroespacial y aeronáutica: Probar la integridad estructural de los componentes de las alas y el fuselaje y el rendimiento de los motores (tanques de combustible, carga en el tren de aterrizaje y formación de hielo en las alas). Detección de pérdida de superconductividad en motores/generadores eléctricos. Probar los escudos térmicos para naves espaciales, sensores de fugas para tanques de oxígeno líquido (y otros combustibles) en naves espaciales (o en cualquier otro lugar).

[0274] Energía: Detección de esfuerzos en palas de turbina eólica.

[0276] Médico: Los sensores de fibra óptica son ideales para muchas aplicaciones médicas, especialmente para dispositivos de radiología donde se produce la integración, la calidad y la confiabilidad de los datos. Herramientas y dispositivos compatibles con MRI relacionados con la cirugía ocular. Detección de pérdida de superconductividad en bobinas superconductoras de alta temperatura para imanes NMR.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Un sistema (300) de detección de fibra óptica que comprende:

una fibra óptica (302) que comprende una red (306) de Bragg de fibra sustancialmente continua, teniendo la red (306) de Bragg de fibra una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la longitud de la fibra óptica (302) cuando la fibra óptica (302) está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación;

una fuente (309) de luz incidente para proporcionar luz incidente a un extremo ascendente (312) de la fibra óptica (302); y

un interrogador (313) de espectro de longitud de onda para detectar un espectro reflejado (314) de la luz incidente desde la fibra óptica (302);

en donde una porción ascendente (318) de la fibra óptica (302) tiene una longitud (L) de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente hacia el interrogador (313) en una primera longitud de onda (λ<I>) de equilibrio, y una porción descendente (320) de la fibra óptica (302) está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador (313) cuando un cambio de temperatura y/o deformación en la porción descendente (320) provoca que una porción de la red de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador (313) en una segunda longitud de onda (λ<II>) distinta de la longitud de onda (λ<I>) de equilibrio y a una segunda intensidad, en donde en la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción (320) descendente está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda (λ<II>), o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda (λ<II>) que es menor que la segunda intensidad;

en donde el sistema (300) de detección de fibra óptica comprende además un procesador (315) configurado para analizar el espectro reflejado detectado (314), que comprende un pico inicial correspondiente a la longitud de onda (λ<I>) de equilibrio, para determinar cuándo una porción de la red de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación en el espectro reflejado detectado (314) con respecto al pico inicial.

2. El sistema (300) de detección de fibra óptica de la reivindicación 1, en donde la fibra óptica (302) tiene una longitud de al menos 100 mm.

3. El sistema (300) de detección de fibra óptica de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la red (306) de Bragg de fibra se extiende sustancialmente a lo largo de toda la longitud de la fibra óptica (302).

4. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la fibra óptica (302) comprende una pluralidad de redes de Bragg de fibra corta en serie para formar una red de Bragg de fibra sustancialmente continua;

y preferiblemente en donde las redes de Bragg de fibra corta tienen una longitud de aproximadamente 9 mm; y preferiblemente en donde las redes de Bragg de fibra corta están separadas aproximadamente 1 mm. 5. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la fibra óptica (302) comprende una red (306) de Bragg de fibra continua única.

6. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la fibra óptica (302) es al menos el doble de la longitud (L) de atenuación de la red (306) de Bragg de fibra; y preferiblemente en donde la fibra óptica (302) es al menos 6 veces la longitud (L) de atenuación de la red (306) de Bragg de fibra.

7. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la reflectividad global de la red (306) de Bragg de fibra es superior al 20 %;

y preferiblemente en donde la reflectividad global de la red (306) de Bragg de fibra es superior al 50 %; y preferiblemente en donde la reflectividad global de la red (306) de Bragg de fibra es superior al 95 %; y preferiblemente en donde la reflectividad global de la red (306) de Bragg de fibra es superior al 99 %.

8. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el procesador (315) está configurado para analizar el espectro reflejado (314) para determinar cuándo una

porción de la red (306) de Bragg de fibra experimenta un cambio de temperatura y/o deformación al detectar un cambio en una envolvente del espectro reflejado (314) con picos no separados.

9. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el procesador (315) está configurado para determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un cambio en la dimensión del espectro reflejado (314); y/o

en donde el procesador (315) está configurado para determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo de ancho a umbral; o

en donde el procesador (315) está configurado para determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo integral de potencia; o

en donde el procesador (315) está configurado para determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en un algoritmo de cambio.

10. El sistema (300) de detección de fibra óptica de la reivindicación 9, en donde el procesador (315) está configurado para determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la aplicación de un peso al espectro antes de usar el algoritmo.

11. El sistema (300) de detección de fibra óptica de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la red (306) de Bragg de fibra está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador (313) en la segunda longitud de onda (λ<II>) cuando se produce un cambio de temperatura y/o deformación en la porción ascendente (318) de la fibra óptica (302).

12. El sistema de detección de fibra óptica (300) de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que es capaz de determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como 5 Kelvin (5 °C);

y preferiblemente, eso es capaz de determinar cuándo una porción de la red (306) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura tan pequeño como 1 Kelvin (1 °C).

13. Un método para detectar un cambio en la temperatura y/o la deformación, que comprende:

proporcionar una fibra óptica (302) que comprende una red de Bragg de fibra sustancialmente continua (306), teniendo la red (306) de Bragg de fibra una separación de red que es sustancialmente la misma a lo largo de la longitud de la fibra óptica (302) cuando la fibra óptica (302) está en una condición de equilibrio de temperatura y deformación;

proporcionar luz incidente a un extremo de la fibra óptica (302);

detectar un espectro reflejado (314) de la luz incidente desde la fibra óptica (302) con un interrogador (313) de espectro de longitud de onda;

en donde una porción ascendente (318) de la fibra óptica (302) tiene una longitud de atenuación que está adaptada para reflejar la luz incidente hacia el interrogador (313) en una primera longitud de onda (λ<I>) de equilibrio, y una porción descendente (320) de la fibra óptica (302) está adaptada para reflejar la luz hacia el interrogador (313) cuando un cambio de temperatura y/o de deformación en la porción descendente provoca que una porción de la red (306) de Bragg de fibra refleje la luz hacia el interrogador (313) en una segunda longitud de onda (λ<II>) distinta de la longitud de onda (λ<I>) de equilibrio y a una segunda intensidad, en donde en la condición de equilibrio de temperatura y deformación, la porción descendente (322) está adaptada para no reflejar luz en la segunda longitud de onda (λ<II>), o está adaptada para reflejar una primera intensidad de luz en la segunda longitud de onda (λ<II>) que es menor que la segunda intensidad;

en donde el espectro reflejado detectado (314) comprende un pico inicial correspondiente a la longitud de onda (λ<I>) de equilibrio, y

el método comprende, además, analizar el espectro reflejado detectado (314) usando un procesador (315) para determinar cuándo una porción de la red (316) de Bragg de fibra está experimentando un cambio de temperatura y/o deformación, basándose en la desviación en el espectro reflejado detectado desde el pico inicial.

14. El método de la reivindicación 13, en donde el método se usa para detectar la aparición de un punto caliente; y/o

en donde el método se utiliza para detectar una pérdida de superconductividad (quench) en un devanado de campo superconductor de alta temperatura.

15. El método de las reivindicaciones 13 o 14, en donde la red (306) de Bragg de fibra está sujeta a una deformación térmica no homogénea de fondo que provoca la división de los picos en el espectro reflejado detectado (314).