MXPA01005408A - Sensor de temperatura de rejilla bragg con aislamiento de tension - Google Patents

Abstract

Un sensor de temperatura de rejilla"bragg"con aislamiento de tensión incluye un elemento detectoróptico 20, 600 el cual incluye una fibraóptica que tiene por lo menos una rejilla Bragg colocada en la misma que estáintroducida dentro de y fusionada a por lo menos una porción de un tubo capilar vítreo 20 y/o una rejilla de guía de onda de diámetro grande 600 que tiene un núcleo y un recubrimiento ancho y que tiene la rejilla 12 colocada en la misma, la cual detecta los cambios de temperatura aunque sustancialmente no es sensible a las tensiones en el elemento provocadas por la fibra u otros efectos. La luz 14 es incidente sobre la rejilla 12 y la luz 16 se refleja en una longitud de onda de reflejo ?1. La forma del elemento detector 20, 600 puede ser de otras geometrías y/o más de un tubo concéntrico se puede emplear o más de una rejilla o par de rejillas se pueden utilizar o más de una fibra o núcleoóptico puede usarse. Por lo menos una porción del elemento 20, 600 puede impurifi carse entre un par de rejillas 150, 152, colocadas en el mismo para formar un láser seleccionable por temperatura o la rejilla 12 o las rejillas 20 150, 152 pueden construirse como un láser DFB seleccionable por temperatura colocado en el elemento. Asimismo, el elemento puede tener regiones ahusadas internas o externas 22, 27, respectivamente, para proporcionar liberación de la tensión y/o resistencia a la tracción para la fibra 10. Además, la fibra 10 y el tubo 20 pueden hacerse de diferentes coeficientes de expansión térmica para sensibilidad incrementada.

Description

SENSOR DE TE MPERATURA DE REJILLA BRAGG CON AISLAMIENTO DE TENSIÓN REFERENCIAS CRUZADAS A SOLICITUDES RELACIONADAS La presente es una continuación en parte de la solicitud de patente de los Estados Unidos de Norteamérica, No. de Serie 9/400,364 presentada el 20 de Septiembre de 1999, la cual es una continuación en parte de la Solicitud de Patente de los Estados U nidos de Norteamérica No. de Serie 09/205,847, presentada el 4 de Diciembre de 199.8. Asimismo Las Solicitudes de Patente de Jos Estados Unidos de Norteamérica co-pendientes, No. de serie (No. de Caso CiDRA CC-0036B), titulada "Braga Grating Pressure Sensor", No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0078B) titulada "Tube Encased Fiber Grating", el número de serie (No. de caso CiDRA CC-0146B) , titulada "Pressure-lsolated Bragg Grating Temperature Sensor" y el No. de serie (No. de Caso CiDRA CC-0230) titulada "Large Diameter Oplical Waveguide, Grating and Láser" se presentaron todas en forma contemporánea a Ja presente, contienen materia en cuestión relacionada con aquella aquí descrita.

Campo Técnico Esta invención se refiere a rejillas de fibra, y de manera más particular a un sensor de temperatura de rejilla de fibra con aislamiento de tensión introducida en tubo.

Técnica Anterior Se conocen en la técnica las fibras ópticas que las rejillas Bragg incrustadas en una fibra óptica pueden incrustarse en una estructura y utilizarse para detectar parámetros tales como la temperatura y/o la tensión de la estructura, como aquellas descritas en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,806, 012, titulada "Distributed, Spatially Resolving Optical Fiber Strain Gauge", para Meltz et al, y la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,996,419, titulada "Distributed Multiplexed Optical Fiber Bragg Grating Sensor Arrangement", para Morey. Se sabe también que la longitud de onda de reflejo ? de la rejilla 12 cambia con la temperatura (? ?/?T) debido al cambio en el índice de refracción y la separación de rejilla con la temperatura, tal como se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,042,898, titulada "Incorporated Bragg Filter Temperature Compensated Optícal Waveguide Device", para Morey et al. Sin embargo, cuando una rejilla de fibra óptica se utiliza para medir solamente la temperatura y no está incrustada dentro de o ligada o unida a una estructura general que se está monitoreando, cualquier tensión sobre la fibra y la rejilla provocan que la longitud de onda de la reflejo de la rejilla se desvíe lo cual puede ocasionar imprecisiones en la medición de temperatura de la rejilla.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Los objetos de la presente invención incluyen la provisión de un sensor de temperatura de rejilla de fibra que permite que la rejilla se use como un sensor de temperatura en presencia de la tensión sobre la fibra óptica. De acuerdo con la presente invención, un sensor de temperatura de fibra óptica con aislamiento de tensión, comprende un elemento detector de fibra óptica, que tiene una dimensión transversal externa de por lo menos 0.3 mm y que tiene por lo menos un elemento reflejante colocado en el mismo, el elemento reflejante que tiene una longitud de onda de reflejo; una fibra óptica unida a por lo menos un extremo axial del elemento detector; por lo menos una porción del elemento detector que tiene una sección transversal transversa que es contigua y está hecha sustancialmente del mismo material; y la longitud de onda de reflejo que cambia debido a un cambio en la temperatura del elemento detector y no cambia debido a la tensión sobre la fibra óptica. De acuerdo con la presente invención, el elemento detector comprende: una fibra óptica, que tiene el elemento reflejante incrustado en la misma; y un tubo, que tiene la fibra óptica y el elemento reflejante introducidos en el mismo, el tubo que está fun dido a por lo menos una porción de la fibra. De acuerdo además con la presente invención, el elemento detector comprende una guía de onda óptica de diámetro grande que tiene un recubrimiento externo y un núcleo interno colocado en el mismo y que tiene el elemento reflejante colocado en el mismo. De acuerdo con la presente invención, el elemento detector comprende: un tubo que está fusionado a por lo menos una porción de una fibra óptica a lo largo de un eje longitudinal del tubo; una guía de onda óptica de diámetro grande que tiene un recubrimiento externo y un núcleo interno colocado en el mismo; y el tubo y la guía de onda fusionados axialmente y acoplados juntos ópticamente, y el elemento reflejante está incrustado n la fibra e introducido en el tubo o colocado en la guía de onda óptica. De acuerdo además con ia presente invención, el elemento detector está hecho de material vitreo. La presente invención proporciona una rejilla "bragg" colocada en un elemento detector óptico que incluye una fibra óptica fusionada a por lo menos una porción de un tubo capilar vitreo ("fibra/rejilla introducida en tubo") y/o una rejilla de guía de onda de diámetro grande que tiene un núcleo óptico y un recubrimiento ancho, el cual detecta los cambios de temperatura aunque sustancialmente no es sensible a (o está sustancialmente aislado de) las tensiones sobre el elemento provocadas por la fibra u otros efectos. El elemento puede hacerse de un material vitreo. Asimismo, permite que la rejilla sea aislada de las tensiones en cualquier parte sobre la fibra. De igual manera, se pueden colocar en el elemento una o más rejillas, láseres de fibra o una pluralidad de fibra o núcleos ópticos.

La o las rejillas o el o los láseres pueden "introducirse" en el tubo al tener el tubo fusionado a la fibra sobre el área de rejilla y/o en extremos axiales opuestos del área de rejilla adyacente a una distancia predeterminada desde la rejilla. La o las rejillas o el o los láseres pueden fusionarse dentro del tubo o parcialmente dentro de o hacia la superficie externa del tubo. Asimismo, una o más guías de onda y/o la fibra/rejillas introducidas en el tubo pueden fusionarse axialmente para formar el elemento detector. Además, la invención puede utilizarse como un sensor individual o como una pluralidad de sensores multiplexados distribuidos. La invención puede ser también un diseño de alimentación directa o un diseño sin alimentación directa. La invención puede utilizarse en ambientes adversos, tales como pozos de petróleo o de gas, motores, cámaras de combustión, etc. Por ejemplo, la invención puede ser un sensor capaz de operar a altas temperaturas (> 150° C). La invención funcionará igualmente bien en otras aplicaciones independientes del tipo de ambiente. Los anteriores y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se volverán evidentes a la luz de la siguiente descripción detallada de las modalidades ilustrativas de la misma.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo, de acuerdo con la . presente invención .

La figura 2 es una vista lateral de un sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo, que tiene más de un tubo alrededor de la rejilla, de acuerdo con la presente invención. La figura 3 es una vista lateral de un sensor de temperatura de reji lla de fibra introducida en tubo donde el tubo está fusionado en extremos axiales opuestos del área de rejilla, de acuerdo con la presente invención. La figura 4 es una vista lateral de un sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo alternativo en donde el tubo está fusionado en extremos axiales opuestos del área de rejilla, de acuerdo con la presente invención. La figura 5 es una vista lateral de un sensor de temperatura de reji lla de fibra introducida en tubo que tiene más de una rejilla introducida en el tubo, de acuerdo con la presente invención. La figura 6 es una vista lateral de una pluralidad de sensores de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo en tubos separados conectados en serie mediante una fibra óptica común, de acuerdo con la presente invención . La figura 7 es una vista lateral de dos sensores de temperatura de rejilla de fibra en dos fibras ópticas separadas introducidas en un tubo común, de acuerdo con la presente invención. La figura 8 es una vista en extremo de la modalidad de ia figura 7, de acuerdo con la presente invención. La figura 9 es una vista extrema de dos sensores de temperatura de rejilla de fibra en dos fibras ópticas separadas introducidas en un tubo com n y separadas por una distancia, de acuerdo con la presente invención. La figura 10 es una vista lateral de un sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo en donde el tubo está fusionado sobre la fibra solamente en la longitud de la rejilla, de acuerdo con la presente invención. La figura 1 1 es una vista lateral de un sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo que tiene un láser de fibra DFB seleccionable introducido en un tubo, de acuerdo con la presente invención. La figura 12 es una vista lateral de una guía de onda óptica de diámetro grande que tiene una rejilla colocada en la misma, de acuerdo con la presente invención.

Mejor Forma de Llevar a Cabo la Invención Haciendo referencia a la figura 1 , un sensor de temperatura de rejilla Bragg con aislamiento de tensión comprende una guía de onda óptica conocida 10, por ejemplo, una fibra óptica de modo simple de telecomunicación estándar, que tiene una rejilla Braa,g 12 estampada (o incrustada o impresa) sobre la fibra 10. La fibra 10 tiene un diámetro externo de aproximadamente 125 mieras y comprende vidrio de sílice (SiO2) que tiene los impurificantes apropiados, como se conoce, para permitir que la luz 14 se propague a lo largo de la fibra 10. La rejilla 12 es como se sabe, una variación periódica o no periódica en el índice refractivo efectivo y/o el coeficiente de absorción óptica efectiva de una guía de onda óptica, tal como se describe de manera similar a aquella descrita en las patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Nos. 4, 725, 1 10 y 4,807, 950, tituladas "Method for Impressing Gratings Within Fiber Optics", para Glenn et al; y la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5, 388, 173, titulada "Method y Apparatus for Forming Aperiodic Gratings in Optical Fibers", para Glenn, las cuales están incorporadas mediante referencia hasta el grado necesario para comprender la presente invención. Sin embargo, puede utilizarse si se desea cualquier rejilla seleccionable de longitud de onda o elemento reflejante incrustado, grabado, impreso o de otra manera formado en la fibra 28. Como se usa en la presente, el término "rejilla" significa cualquiera de tales elementos reflejantes. Además, el elemento reflejante (o rejillas) 12 puede utilizarse en el reflejo y/o transmisión de la luz. Otros materiales y dimensiones de ia fibra óptica o guía de onda 10 pueden utilizarse si se desea. Por ejemplo, la fibra óptica 10 puede estar hecha de cualquier vidrio, por ejemplo, sílice, vidrio de fosfato u otros vidrios o hecha de vidrio y plástico, o solamente plástico. Para aplicaciones de alta temperatura, es deseable la fibra óptica hecha de un material vitreo. Así mismo, la fibra 10 puede tener un diámetro externo de 80 mieras u otros diámetros. Además, en vez de una fibra óptica, puede utilizarse cualquier guía de onda óptica, tal como, una guía de onda de modo múltiple, birrefringente, de mantenimiento de polarización , de polarización, de núcleo múltiple o una guía de onda óptica de recubrimiento múltiple, o una guía de onda plana o lisa (donde la guía de onda es de forma rectangular) u otras guías de onda. Como se utiliza en la presente el término "fibras" incluye las guías de onda antes descritas. La luz 14 es incidente sobre la rejilla 12 que refleja una porción de la misma como se indica mediante la línea 16 que tiene una banda de longitud de onda predeterminada de luz centrada en una longitud de onda de reflejo ?b, y pasa las longitudes de onda restantes de la luz incidente 14 (dentro de un rango de longitud de onda predeterminado), como se indica mediante la línea 18. La fibra 10 con la rejilla 12 en la misma está introducida dentro de y fundida a por lo menos una porción de un tubo capilar vitreo cil indrico 20 (descrito a detalle a continuación). El tubo 20 tiene un diámetro externo d 1 de aproximadamente 3mm y una longitud L1 de aproximadamente 10mm. La rejilla 12 tiene una longitud Lg de aproximadamente 5mm. Alternativamente, la longitud L1 del tubo 20 puede ser substancialmente de la misma longitud que la longitud Lg de la rejilla 12, tal como mediante el uso de una rejilla más grande o un tubo más corto. Se pueden utilizar otras dimensiones o longitudes del tubo 20 y la rejilla 12. Así mismo, la fibra 10 y la rejilla 12 no necesitan fusionarse en el centro del tubo aunque puede fusionarse en cualquier parte en el tubo - 20. Así mismo, el tubo 20 no necesita fusionarse a la fibra sobre toda la longitud del tubo 20.

El tubo 20 está hecho de un material vitreo, tal como un cuarzo natural o sintético, sílice fundida, sílice (SiO2) , Pyrex® de Corning (silicato de boro), o Vycor® de Corning (aproximadamente 95% sílice y 5% de otros componentes tales como Óxido de Boro), u otros vid rios. El tubo debe hacerse de un material tal que el tubo 20 (o la superficie de diámetro interna de un orificio en el tubo 20) pueda fusionarse a (es decir crear un enlace molecular con o fusionarse junto con) la superficie externa (o recubrimiento) de la fibra óptica 10 de manera que la superficie de ¡nterfase entre el diámetro interno del tubo 20 y el diámetro externo de la fibra 10 se eliminen substancialmente (es decir, el diámetro interno del tubo 20 no puede distinguirse de y forma parte del recubrimiento de la fibra 10). Para el mejor acoplamiento de expansión térmica del tubo 20 a la fibra 10 sobre un rango de temperatura grande, el coeficiente de expansión térmica (CTE) del material del tubo 20 debe ser substancialmente acoplado al CTE del material de la fibra 10. En general, a menor temperatura de fusión del material vitreo, mayor el CTE. Por tanto, para una fibra de sílice (que tiene una temperatura de fusión elevada y un bajo CTE) , un tubo hecho de otro material vitreo, tal como Pyrex® y Vycor® (que tiene una menor temperatura de fusión y un mayor CTE) da como resultado un desacoplamiento de la expansión térmica entre el tubo 20 y la fibra 10 con la temperatura. Sin embargo, no se requiere en la presente invención que el CTE de la fibra 10 acople al CTE del tubo 20. En particular, a mayor desacoplamíento del CTE entre la fibra 10 y el tubo 20, mayor la sensibilidad de la desviación de la longitud de onda de reflejo de la rejilla para los cambios de temperatura y más sensible se vuelve el sensor a la temperatura. Por ejemplo, para una fibra de sílice (CTE = 5.5 X 10'7/°C) , un tubo 20 hecho de Vicor ® (CTE = 7.5 X 10-7/°C) o Pyrex ® (CTE = 32.5 X 10"7/°C) proporcionaría mayor sensibilidad que un tubo de sílice. En vez de que el tubo 20 que esta hecho de material vitreo, pueden utilizarse otros materiales elásticamente deformables a condición de que el tubo 20 pueda fusionarse a la fibra 10. Por ejemplo, para una fibra óptica hecha de plástico, se puede utilizar un tubo hecho de material plástico. Con la rejilla de fibra 12 introducida en el tubo 20, para cualquier tensión axial ejercida sobre el tubo 20 mediante la fibra 10 fuera del tubo 20 la tensión observada por la rejilla 12 en el tubo 20 puede reducirse en una cantidad relacionada con el área de sección transversal transversa incrementada del tubo 20 en comparación con la fibra 10, proporcionando de esta manera un elemento sensor de temperatura que está sustancialmente aislado de la tensión axial. Por lo tanto, cualquier desviación en la longitud de onda de reflejo de la rejil la 12 se deberá a cambio en la temperatura y no a un cambio en la tensión de la fibra. En consecuencia, el diámetro (o dimensión transversal) y la longitud L del tubo 20 se fija para tener la cantidad deseada de aislamiento desde la rejilla para una cantidad predeterminada de tensión sobre el elemento.

Por ejemplo, si el elemento detector está fijado de manera rígida uy la fibra óptica se jaló axialmente en una dirección en alejamiento desde el elemento, el elemento detector puede dimensionarze de manera que la fibra exhibiría la tensión pero no la rejilla en el elemento y por tanto, la longitud de onda de la rejilla no cambiaría debido a la tensión sobre la fibra. Un resultado similar se presentaría si el elemento detector no se fijara de manera rígida y las fibras ópticas que salen desde ambos extremos axiales del elemento se jalaran axialmente en direcciones opuesta en alejamiento del elemento. La invención también proporcionará aislamiento o reducción de la tensión a partir de otras causas de la tensión axial ejercida sobre ele elemento detector, tales como las tensiones de montaje, etc. Los extremos axiales del tubo 20 donde la fibra 10 sale del tubo 20 pueden tener una región interna 22 la cual está ahusada hacía adentro (o ensanchada) en alejamiento desde la fibra 10 para proporcionar la liberación de tensión de la fibra 10 o por otras razones. En ese caso, un área 28 entre el tubo 20 y la fibra 10 puede rellenarse con un material de relleno liberador de deformación, por ejemplo poliim ída, silicón u otros materiales. Así mismo, el tubo 20 pueden haberse ahusado (o biselado o angulado) en las esquinas o bordes externos 24 para proporcionar un asiento para el tubo 20 para acoplar con otra parte (no mostrada) o por otras razones. Alternativamente, en vez de tener la región ahusada interna 22, uno o ambos extremos axiales del tubo 22 donde la fibra 10 sale del tubo 20 pueden tener una sección ahusada externa (o estriada, cónica o de unión), mostrada como líneas punteadas 27, la cual tiene una geometría externa que disminuye hacia abajo para la fibra 10 (descrito con mayor detalle a continuación en la figura 12). Se ha encontrado que utilizando secciones estriadas 27 se proporciona una resistencia a la tracción mejorada en y cerca de la interfase entre la fibra 10 sale del tubo 20, por ejemplo, 8.88 kilogramos/metro o más, cuando la fibra 10 es jalada a lo largo de su eje longitudinal . El tubo 20 puede tener formas de extremo o de sección transversal (transversa) diferentes de la circular, tales como cuadrada, rectangular, elíptica, en forma de concha u otras y puede tener formas de sección transversal de vista lateral" diferentes de la rectangular, tales como circular, cuadrada, elíptica, en forma de concha u otras. Asimismo, el tubo 20 puede tener diferentes geometrías dependiendo de la aplicación . Por ejemplo, el sensor de temperatura de rejilla de fibra introducida en tubo puede ser parte de un sensor mayor, tal como el sensor de presión compensado por temperatura, como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0036A), titulada "Tube-Encased Fiber Grating Pressure Sensor", cualquier geometría variable del tubo 20 puede formarse como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendiente, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0078A), titulada "Tube-Encased Fiber Grating", la cual está incorporada en la presente mediante referencia.

Cuando la fibra 10 sale del tubo 20, la fibra 10 puede tener una capa desviadora protectora externa 21 para proteger la superficie externa de la fibra 10 del daño. El desviador 21 puede estar hecho de poliimida, silicón, Teflon®, (politetrafluoroetileno), carbón, oro y/o níquel, y tener un espesor de aproximadamente 25 mieras. Se pueden utilizar otros espesores y materiales desviadores para la capa desviadora 21 . Si se utiliza la región axial ahusada interna 22 y es lo suficientemente grande, la capa desviadora 21 puede ser insertada en la región 22 para proporcionar una transición desde la fibra descubierta hacia una fibra desviada. Alternativamente, si la región tiene un ahusamiento externo 27, el desviador 21 iniciaría donde la fibra sale de la porción ahusada 27 del tubo 20. Si el desviador 21 empieza después del punto de salida de la fibra, la fibra 10 puede ser recubierta con una capa desviadora adicional (no mostrada) la cual cubre cualquier fibra descubierta fuera de la región fusionada y traslaparse con el desviador 21 y puede traslaparse también con parte de la región o el extremo del tubo 20.

La rejilla 12 puede imprimirse en la fibra 10 antes o después de que el tubo capilar 20 sea introducido alrededor de la fibra 10. Si la rejilla 12 es impresa en la fibra 10 después de que el tubo es introducido alrededor de la rejilla 12, la rejilla 12 puede grabarse a través del tubo 20 dentro de la fibra 10 como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendiente, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0130), titulada "Method and Apparatus For Forming A Tube-Encased Bragg Grating", presentada de manera conjunta con la presente. Para introducir la fibra 10 dentro del tubo 20, el tubo 20 puede ser calentado, colapsado y fundido a la rejilla 12 mediante un láser, filamento, flama o mediante otras técnicas de fusión, como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendiente, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0078A) , titulada "Tube-Encased Fiber Grating", presentada de manera contemporánea a la presente. Se pueden utilizar otras técnicas para colapsar y fusionar los tubos 20 a la fibra 10, tal como se describe en la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,745,626, titulada "Method For And Encapsulation Of An Optical Fiber", para Duck et al, y/o la Patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 4,915,467, titulada "Method of Making Fiber Coupler Having Integral Precisión Connection Wells" para Berkey, las cuales se incorporan a la presente mediante referencia hasta el grado necesario para comprender la presente invención, u otras técnicas. Alternativamente, se pueden utilizar otras técnicas para fundir la fibra 10 al tubo 20, tales como utilizando un soldador vitreo de alta temperatura, por ejemplo, un soldador de sílice (polvo o sólido), de manera que la fibra 10, el tubo 20 y el soldador se fusionan entre sí, o utilizando soldadura láser/fusión u otras técnicas de fusión. Asimismo, la fibra puede fusionarse dentro del tubo o parcialmente dentro de o sobre la superficie externa del tubo (descrito a continuación en la presente con la Fig. 9).

La rejilla 12 puede introducirse en el tubo 20 teniendo una pretensión inicial a partir del tubo (comprensión o esfuerzo) o sin pretensión. Por ejemplo, si se usa un vidrio Pyrex ® u otro que tenga un mayor coeficiente de expansión térmica que aquel de la fibra 10 para el tubo 20, cuando el tubo 20 es calentado y fusionado a la fibra y después enfriado, la rejilla 12 es colocada en compresión por el tubo 20. De manera alternativa, la rejil la de fibra 12 puede introducirse en el tubo 20 en tensión al colocar la rejilla en tensión durante el proceso de calentamiento y fusión del tubo. Asimismo, la rejilla de fibra 12 puede introducirse en el tubo 20 dando como resultado que no hay tensión ni compresión sobre la rejilla 12. Haciendo referencia a la figura 2, se puede fusionar más de un tubo concéntrico para formar el tubo 20 de la presente invención , por ejemplo, un pequeño tubo capilar interno 180 que tiene un diámetro externo d4 de aproximadamente 0.5 mm, puede ubicarse dentro de un tubo capilar externo más grande 182, que tiene un diámetro d 1 descrito a continuación en la presente y los dos tubos 180, 182 se fusionan juntos. Uno o ambos extremos del pequeño tubo 180 pueden contraerse alrededor de la fibra 10 para formar las secciones estriadas 27. Si se desea pueden utilizarse otros valores para los diámetros d 1 , d4, de los tubos interno y externo 180, 182. Así mismo, se pueden utilizar más de dos tubos capilares concéntricos. El material de los tubos puede ser el mismo para reducir al m ínimo el desacoplamiento de la expansión térmica con la temperatura.

Haciendo referencia a las figuras 3 y 4, alternativamente, el tubo 20 puede fusionarse a la fibra 10 en extremos axiales opuestos de la rejilla 12 adyacente a o a una distancia predeterminada L10 de la rejilla 12, donde L10 puede ser cualquier longitud deseada o en el borde de la rejilla 12 (L10 = cero). En particular, las regiones 200 del tubo 20 se fusionan a la fibra 10 y una sección central 202 del tubo alrededor de la rejilla 12 que no está fusionado con la fibra 10. La región 202 alrededor de la rejilla 12 puede contener aire ambiental o ser evacuado (o estar a otra presión) o puede llenarse parcial o totalmente con un adhesivo, por ejemplo, epoxi, u otro material de relleno, por ejemplo, un polímero o silicón u otro material. El diámetro interno d6 del tubo 20 puede ser cercano a la fibra, por ejemplo, aproximadamente 0.01 hasta 10 mieras mayor que el diámetro de la fibra óptica 10, por ejemplo 125.01 a 135 mieras o puede tener diámetros mayores, ya que no se requiere que restrinja radialmente la fibra 10 o la rejilla 12 en la sección 202 para detectar la temperatura. Además, la fibra 10 y la rejilla 12 en la sección 202 pueden ser rígidas o puede tener algún huelgo. Asimismo, la distancia L10 no necesita ser simétrica alrededor de ambos lados de la rejilla 12. Haciendo referencia a la Fig. 4, de manera alternativa, puede lograrse el mismo resultado de la Fig. 3 fusionando dos tubos separados 210, 212 en lados opuestos de la rejilla 12 y después fusionando un tubo externo 214 a través de los tubos 210, 212. Alternativamente, los tubos 210, 212 pueden extenderse más allá de los extremos del tubo externo 214 como se indica mediante las líneas punteadas 216 (secciones extendidas axialmente) . alternativamente, el tubo 20 puede ser una sola pieza con una forma indicativa de los tubos 212, 214. Haciendo referencia a la figura 5, para cualquiera de las modalidades descritas en la presente, en vez de una sola rejilla introducida dentro del tubo 20, dos o más rejillas 150, 152 pueden incrustarse en la fibra 10 que está introducida en el tubo 20. Las rejillas múltiples 150, 152 pueden utilizarse para medir la temperatura en múltiples puntos a lo largo del tubo 20. En ese caso, las reji llas 150, 152 puede tener diferentes longitudes de reflejo ?1 , ?2 y/o perfiles, respectivamente. Alternativamente las rejillas múltiples 150, 152 pueden utilizarse individualmente para detectar la temperatura en una disposición conocida Fabry Perot. Además, uno o más láseres de fibra como aquellos descritos en la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,513,913, titulada "Active Multipoint Fiber Láser Sensor", la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,564, 832, titulada "Birefringent Active Fiber Láser Sensor", o la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No, 5,666,372, "Co mpression Tuned Fiber Láser" pueden incrustarse dentro de la fibra 10 en el tubo 20, las cuales están incorporadas a la presente mediante referencia hasta el grado necesario para comprender la presente invención. En ese caso, las rejillas 150, 152 forman una cavidad y la fibra 10 por lo menos entre las rejillas 150, 152 (y pueden también incluir las rejillas 150, 152 y/o la fibra 10 fuera de las rejillas, sí se desea) serían impurificadas con un impurificador de tierra rara, por ejemplo, erbio y/o iterbio y la longitud de onda de la acción del láser se desviaría conforme cambia la temperatura. Haciendo referencia a la figura 1 1 , otro tipo de láser de fibra seleccionable que puede utilizarse es el láser de fibra de retroalimentación distribuida seleccionable (DFB) 154, tal como se describe en V.C. Lauridsen, et al, "Desígn of DFB Fibre Lasers", Electronic Letters, 15 de Octubre de 1998, Vol.34, No. 21 , pp 2028-2030; P Varming, et al , "Erbium Doped Fiber DGB Láser U IT Permanent p/2 Phase-Shift Induced by UV Post-Processing", IOOC'95, Tech . Digest, Vol. 5, PD1 -3, 1995; patente de los Estados Unidos de Norteamérica No. 5,771 ,251 "Optical Fiber Distributed Feedback Láser", para Kringlebotn et al; o la patente de los Estados Unidos de Norteamérica No, 5, 51 1 ,083, "Polarized Fiber Láser Source", para D'Amato et al. En ese caso, la rejilla 12 es grabada en una fibra impurificada con tierra rara y configurada para tener una desviación de fase de ?/2 (en donde ? es la longitud de onda de la acción láser) en una ubicación predeterminada 180 cerca del centro de la rejilla 12 que proporciona una condición de resonancia bien definida que puede seleccionarse continuamente en una operación de modo longitudinal individual sin variación de modo como se conoce. Alternativamente, en vez de una sola rejilla, las dos rejillas 150, 152 pueden colocarse lo suficientemente cerca para formar una cavidad que tiene una longitud de (N + ?)?, donde N es un entero (incluyendo 0) y la rej illa 150, 154 son una fibra impurificada con tierra rara. Alternativamente, el láser DFB 154 puede estar ubicado en la fibra 10 entre el par de rejillas 150, 152 (Fig. 4) donde la fibra es impurificada con un impuríficador de tierra rara a lo largo de por lo menos una porción de la distancia entre las rejillas 150, 152. Dicha con figuración es referida como un "láser de fibra Interactiva", como lo describe J .J . Pan et al, "Interactive Fiber Lasers with Low Noise and Controlled Output Power", E-tek Dynamics, Inc. , San José, CA, sitio web en Internet www.e-tek.com/products/whitepapers. Si se desea, pueden colocarse otras configuraciones de láser de fibra individual o múltiple sobre la fibra 10. Haciendo referencia a la Fig. 6, una pluralidad de tubos/sensores de temperatura 20 descritos en la presente, que tienen cada uno por lo menos una rejilla 12 introducida en los mismos, pueden conectarse en serie mediante la fibra óptica común 10 para medir múltiples puntos de temperatura como sensores distribuidos. Pueden utilizarse cualesquiera de Jas técnicas de multiplexado conocidas para distinguir una señal de sensor de otra señal de sensor, tal como el multiplexado por división de longitud de tiempo (WDW) o multiplexado por división de tiempo (TDM) u otras técnicas de multiplexado. En ese caso, la rejilla 12 en cada sensor puede tener una longitud de onda de reflejo diferente. Haciendo referencia a las figuras 7 y 8, alternativamente, dos o más fibras 10,250, cada una que tiene por lo menos una rejilla 12,252 en la misma, respectivamente, puede ser introducida dentro del tubo 20. En ese caso, el orificio en el tubo 20 antes del calentamiento y la fusión del tubo puede ser diferente a la forma circular, por ejemplo cuadrada, triangular, etc. Así mismo, el orificio para el tubo 20 no necesita estar centrado a lo largo de la línea central del tubo 20. Haciendo referencia a la figura 9, alternativamente, en lugar de las fibras 10, 250 que se tocan entre si, como se muestra en la figura 8, las fibras 10, 250 pueden separarse en el tubo 20 a través de una distancia predeterminada. La distancia puede ser cualquier distancia deseada entre las fibras 10, 250. Así mismo, para cualquiera de las modalidades mostradas en la presente, como se ha descrito hasta ahora, parte o toda la fibra óptica y/o la rejilla pueden fusionarse dentro de, parcialmente dentro de o en la superficie externa del tubo 20, como se ilustra mediante las fibras 500, 502 , 504 respectivamente. De igual manera, la o las rejillas o el o los láseres descritos en la presente pueden orientarse en cualquier dirección deseada sobre el tubo, por ejemplo, longitudinalmente, radialmente, circunferencialmente, angulados, curvados u otra orientación. Así mismo, el término "tubo" como se usa en la presente representa también un bloque de material que tiene las propiedades aquí descritas. Haciendo referencia a la figura 10, de manera alternativa, el tubo 20 puede fusionarse sobre la fibra 10 solamente cuando la rejilla 12 está colocada. En ese caso, si el tubo 20 es mayor que la rejilla 12, las regiones ahusadas internas 22 descritas hasta ahora en la presente pueden existir y las áreas 28 entre el tubo 20 y la fibra 10 pueden rellenarse con un material de relleno, como se ha descrito hasta ahora en la presente. Las secciones estriadas 27 (figura 1 ) pueden formarse de varias maneras, tal como se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendienie antes mencionada, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0078A), titulada "Tube-Encased Fiber Grating". Por ejemplo, mediante el calentamiento del tubo 20 y la extracción del tubo 20 y/o la fibra 10 o utilizando otras técnicas de formación de vidrio tales como molienda, pulido o grabado de los extremos axiales del tubo capilar 20. Las secciones 27 pueden realizarse antes, durante o después del calentamiento y fusión del tubo 20 a la fibra 10. Así m ismo, la región ahusada interna 22 puede crearse a través de nifmerosas técnicas, taJ como se describe en Ja Solicitud de Patente de los Estados Unidos de Norteamérica co-pendiente antes mencionada, No. de Serie (No. de Caso CiDRA CC-0078A), titulada "Tube-Encased Fiber Grating". Por ejemplo, sin fundir el tubo 20 a la fibra 10 en las regiones 22 o para crear una región 22 que es mayor que el diámetro interno d6 del tubo 20, el tubo 20 puede ser calentado en la región deseada para expandirse y la presión interna aplicada al tubo 20.

Además, para cualquiera de las modalidades mostradas en la presente, en vez de la fibra 10 que pasa a través del tubo 20, la fibra 10 puede ser de extremo individual, es decir solamente un extremo de la fibra 10 sale del tubo 20. En ese caso, un extremo de la fibra 10 estaría en el punto de salida de la fibra 10 desde el tubo 20 o antes del punto de salida. Haciendo referencia a la Fig. 12, alternativamente, una porción o toda la rejilla de fibra introducida en el tubo 20 que puede ser reemplazada por una rejilla de guía de onda de sílice de diámetro grande 600, tal como aquella descrita en la Solicitud de Patente de los Estados U nidos de Norteamérica co-pendiente, No. de Serie (Ño. de Caso CiDRA CC-0230), titulada "Large Diameter Optical Waveguide, Gratíng and Láser", la cual está incorporada a la presente mediante referencia. La guía de onda 600 tiene un núcleo 612 (equivalente al núcleo de la fibra 10) y un recubrimiento 614 (equivalente a la combinación fusionada del tubo 20 y el recu brimiento de la fibra 10) y que tiene la rejilla 12 incrustada en el mísmp. La longitud general L1 de la guía de onda 600 y el diámetro de la guía de onda d2 se fijan idénticas a aquella descrita en la presente para el tubo 20 (es decir, de manera que el tubo 20 no se deforma sobre el rango de selección de la longitud de onda deseada) y el diámetro externo de la guía de onda es de por lo menos 0.3 mm. Una fibra óptica equivalente 622 (equivalente a la fibra 10 en la Fig. 1 ) que tiene un recubrimiento 626 y un núcleo 625 que propaga la señal de luz 14, está dividida o de otra manera acoplada ópticamente a uno o ambos extremos axiales 628 de la guía de onda 10 utilizando cualesquiera técnicas conocidas o por desarrollarse para dividir las fibras o acoplar la luz desde una fibra óptica dentro de una guía de onda más grande, que proporciona pérdidas ópticas aceptables para la aplicación. La guía de onda de diámetro mayor con la rejilla 600 se puede utilizar en las mismas formas que la rejilla introducida en el tubo 20 que se emplea en la presente cuando la fibra 10 es análoga a (e intercambiable con) el núcleo 612 de la guía de onda 600. Todas las modalidades alternativas descritas en la presente para el tubo 20 y la rejilla introducida en tubo también son aplicables a la guía de onda 600 cuando es viable, incluyendo un láser de fibra o un láser de fibra DFB , múltiples fibras (o núcleos) , varias geometrías, etc. La rejilla de fibra introducida en tubo 20 y la rejilla de guía de onda de diámetro grande 600 pueden cada una ser referidas en la presente como un "elemento detector óptico". La rejilla introducida en tubo 20 y la rejilla de guía de onda de diámetro grande 600 tienen sustancialmente la misma composición y propiedades en la ubicación en donde el tubo 20 se fusiona a la fibra 10, debido a que la sección transversal extrema (o transversa) de la rejilla introducida en tubo 20 y la rejilla de guía de onda de diámetro grande 600 son contiguas (o monolíticas) y están hechas sustancialmente del mismo material a través de la sección transversal, por ejemplo, un material vitreo, tal como sílice impurificada y purificada. Asimismo, en esas ubicaciones ambas tienen un núcleo óptico y un recubrimiento grande.

De igual manera, la guía de onda 600 y la rejilla introducida en tubo 20 pueden usarse juntas para formar cualquier modalidad determinada del elemento detector descrito en la presente. En particular, una o más porciones axiales del elemento detector pueden ser una rejilla o fibra introducida en tubo y/o una o más de las porciones axiales pueden ser la guía de onda 600 las cuales están axialmente separadas o fusionadas o de otra manera acopladas mecánica y ópticamente de manera que el núcleo de dicha guía de onda está alineada con el núcleo de la fibra fusionada al tubo. Por ejemplo, una región central del elemento detector puede ser la guía de onda grande y uno o ambos extremos axiales pueden ser la fibra introducida en tubo los cuales se fusionan juntos como se indica mediante las líneas punteadas 650, 652 o viceversa (Figs. 1 , 5, 1 1 , 12). Debe entenderse que las dimensiones, geometrías y materiales descritos para cualquiera de las modalidades de la presente, son solamente para fines ilustrativos y como tales, pueden emplearse cualesquiera otras dimensiones, geometrías o materiales si se desea, dependiendo de la aplicación, tamaño, rendimiento, requerimientos de fabricación o diseño u otros factores, en vista de las enseñanzas de la presente. Debe comprenderse que, a menos que se establezca de otras manera en la presente, cualesquiera de las características, cualidades, alternativas o modificaciones descritas con respecto a una modalidad particular en la presente se pueden aplicar, utilizar o incorporar con cualquier otra modalidad aquí descrita. Así mismo, los dibujos en la presente no están trazados a escala. Aunque la invención se ha descrito e ¡lustrado con respecto a las modalidades ilustrativas de la misma, las anteriores y varias otras adiciones y omisiones se pueden hacer en la presente y a la misma sin apartarse del espíritu y alcance de la invención.

Claims (22)

1. REIVINDICACIONES 1 . Un sensor de temperatura de fibra óptica con aislamiento de tensión., que comprende: un elemento detector óptico, que tiene una dimensión transversal externa de por lo menos 0.3 mm y que tiene por lo menos un elemento reflejante colocado en el mismo, el elemento reflejante que tiene una longitud de onda de reflejo; una fibra óptica que sale desde por lo menos un extremo axial de dicho elemento detector; por lo menos una porción del elemento detector que tiene una sección transversal transversa que es contigua y está hecha sustancialmente del mismo material; y la longitud de onda de reflejo que cambia debido a un cambio en la temperatura de dicho elemento detector y no cambia debido a la tensión sobre la fibra óptica.
2. 2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector comprende: una fibra óptica, que tiene el elemento reflejante incrustado en la misma; y un tubo, que tiene la fibra óptica y el elemento reflejante introducidos en el mismo, el tubo que está fusionado a por lo menos una porción de dicha fibra.
3. 3. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector comprende una guía de onda óptica de diámetro grande que tiene un recubrimiento externo y un núcleo interno colocado en el mismo y que tiene el elemento reflejante colocado en el mismo.
4. 4. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector comprende: un tubo fusionado a por lo menos una porción de una fibra óptica a lo largo de un eje longitudinal de dicho tubo; una guía de onda óptica de diámetro grande que tiene un recubrimiento externo y un núcleo interno colocado en el mismo; y el tubo y la guía de onda que se fusionan axialmente y acoplan ópticamente juntos.
5. 5. El aparato de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el elemento reflejante está incrustado en la fibra e introducido en el tubo a lo largo del eje longitudinal de dicho tubo.
6. 6. El sensor de presión de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el elemento reflejante está colocado en la guía de onda óptica.
7. 7. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector está hecho de un material
8. 8. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector está hecho de sílice.
9. 9. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la fibra y el tubo están hechos de materiales con diferentes coeficientes .de expansión térmica.
10. 10. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el tubo se fusiona a la fibra óptica donde se ubica el elemento reflejante.
11. 1 1 . El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el tubo se fusiona a la fibra óptica sobre lados axiales opuestos del elemento reflejante.
12. 12. El aparato de conformidad con la reivindicación 2 , caracterizado porque la fibra óptica está orientada a lo largo de un eje longitudinal del tubo.
13. 13. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque por lo menos una porción del elemento detector tiene una forma cilindrica.
14. 14. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector tiene por lo menos una sección axial ahusada externa.
15. 15. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho detector tiene por lo menos una sección axial ahusada interna.
16. 16. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el tubo tiene una pluralidad de dichas fibras ópticas introducidas en el tubo.
17. 17. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la guía de onda tiene una pluralidad de dichos núcleos ópticos colocados en la misma.
18. 18. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector tiene una pluralidad de elementos reflejantes colocados en el mismo.
19. 19. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque el elemento detector tiene por lo menos un par de elementos reflejantes colocados en el mismo y por lo menos una porción del elemento detector está impurificada con un impurificador de tierra rara entre el par de elementos para formar un láser.
20. 20. El aparato de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado porque el láser actúa en longitud de acción de láser que cambia conforme cambia la temperatura del tubo.
21. 21. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado porque por lo menos una porción del elemento detector está impurificada con un impurificador de tierra rara donde se ubica el elemento reflejante y el elemento reflejante está configurado para formar µn láser . DFB.
22. 22. El aparato de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado porque el láser DFB actúa en una longitud de onda de acción láser que cambia conforme cambia la temperatura del elemento detector. RESU MEN Un sensor de temperatura de rejilla "bragg" con aislamiento de tensión incluye un elemento detector óptico 20, 600 el cual incluye una fibra óptica 10 que tiene por lo menos una rejilla Bragg colocada en la misma que está introducida dentro de y fusionada a por lo menos una porción de un tubo capilar vitreo 20 y/o una rejilla de guía de onda de diámetro grande 600 que tiene un núcleo y un recubrimiento ancho y que tiene la rejilla 12 colocada en la misma, la cual detecta los cambios de temperatura aunque sustancíalmente no es sensible a las tensiones en el elemento provocadas por la fibra u otros efectos. La luz 14 es incidente sobre la rejilla 12 y la luz 16 se refleja en una longitud de onda de reflejo ?1. La forma del elemento detector 20, 600 puede ser de otras geometrías y/o más de un tubo concéntrico se puede emplear o más de una rejilla o par de rejillas se pueden utilizar o más de una fibra o núcleo óptico puede usarse. Por lo menos una porción del elemento 20, 600 puede impurificarse entre un par de rejillas 150, 152 , colocadas en el mismo para formar un láser seleccionable por temperatura o la rejilla 12 o las rejillas 150, 152 pueden construirse como un láser DFB seleccionable por temperatura colocado en el elemento. Asimismo, el elemento puede tener regiones ahusadas internas o externas 22, 27, respectivamente, para proporcionar liberación de la tensión y/o resistencia a la tracción para la fibra 10. Además, la fibra 10 y el tubo 20 pueden hacerse de diferentes coeficientes de expansión térmica para sensibil idad incrementada.