Estudio del comportamiento de fibras ópticas con la temperatura para su aplicación en un sistema sensor distribuido de temperatura basado en Raman

Abstract

El gran desarrollo experimentado por los sensores de fibra óptica en los últimos años los han llevado a ser muy atractivos en ciertas aplicaciones industriales pudiendo competir con los tradicionales sensores eléctricos y electrónicos. Si además hacemos uso de la fibra óptica, herramienta potencialmente usada en varios campos y sectores, como sensor a la propia fibra, teniendo gran cantidad de ventajas, por el mero hecho de ser la propia fibra la que realiza la medida. En este proyecto, haremos un estudio del comportamiento y de la atenuación de diferentes tipos de fibras de altas temperaturas haciendo uso del sensado distribuido mediante la técnica de Raman. El objetivo principal es el estudio del comportamiento de las fibras ópticas recubiertas de Oro, Cobre, Aluminio y Polyimida a altas temperaturas, bajo las mismas condiciones y en tiempo de medida en el laboratorio breve. Mediante esta técnica, haremos un estudio de la atenuación, analizando las señales de Stokes y Anti-Stokes (fuertemente dependiente de la temperatura) y obteniendo la atenuación mediante la recta de estas señales en cada punto de medida de temperatura y teniendo como idea final, la de elegir una de las fibras de alta temperatura, dependiendo de las medidas resultantes de la atenuación y del comportamiento y propiedades de la fibra óptica, para así decidir cuál es la fibra más adecuada para las aplicaciones industriales de altas temperaturas mediante la técnica Raman. Además de esto, se añadirán los errores en las medidas a causa de las micro curvaturas y macro curvaturas y se tendrán también en cuenta las posibles degradaciones de las fibras ópticas con la temperatura: oxidación, reacción con el silicio, pérdida de las propiedades mecánicas, atenuaciones a baja y alta temperatura y las pérdidas inducidas por hidrógeno. Además de las medidas, en este trabajo, se realiza un estudio de la técnica mencionada de Raman, los tipos de fibras que se utilizan a altas temperaturas y sus limitaciones, las posibles degradaciones de las fibras, errores en las medidas, errores en las propias propiedades de las fibras y los montajes utilizados para llegar a tal fin. Una vez realizadas las medidas de todas las fibras con ayuda de la Unidad de Interrogación Raman, se analizará la atenuación (si se puede) y sacaremos unas conclusiones y un estudio de cada tipo de fibra. Hay que destacar que cada una de las fibras ha sido medida bajo las mismas condiciones, en tiempos de medida muy breves y con ciclos de medida de alta y baja temperatura de forma brusca, para así, hacer la elección de la fibra más idónea.

The great development experienced by fiber optic sensors in recent years has made them very attractive in certain industrial applications, being able to compete with traditional electrical and electronic sensors. If we also use fiber optic, tool potentially used in various fields and sectors, as a sensor to the fiber itself, having many advantages, by the mere fact of being the fiber itself that makes the measurement. In this project, we will study the behavior and attenuation of different types of high temperature fibers using sensing distributed by the Raman technique. The main objective is the study of the behavior of the optical fibers coated with Gold, Copper, Aluminum and Polyimide at high temperatures, under the same conditions and at the time of measurement in the short laboratory. Using this technique, we will study the attenuation, analyzing the Stokes and Anti-Stokes signals (strongly dependent on temperature) and obtaining the attenuation by the line of these signals at each point of temperature measurement and having as a final idea, the choice of one of the high temperature fibers, depending on the measures resulting from the attenuation and the behavior and properties of the optical fiber, in order to decide which fiber is the most suitable for high temperature industrial applications using the Raman technique. In addition to this, the errors in the measurements will be added due to the micro curvatures and macro curvatures and the possible degradations of the optical fibers will also be taken into account with the temperature: oxidation, reaction with the silicon, loss of the mechanical properties, attenuations at low and high temperature and losses induced by hydrogen. In addition to the measurements, in this work, a study of the aforementioned technique of Raman, the types of fibers used at high temperatures and their limitations, the possible degradations of the fibers, errors in the measurements, errors in the own properties of the fibers and mounts used to achieve this purpose. Once the measurements of all the fibers have been made with the help of the Raman Interrogation Unit, the attenuation will be analyzed (if possible) and we will draw conclusions and a study of each type of fiber. It should be noted that each of the fibers has been measured under the same conditions, in very short measuring times and with high and low temperature measurement cycles, in order to make the choice of the most suitable fiber.