Sensor de flujo de agua utilizando un lser de fibra ptica a base de

Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006
IBERSENSOR 2006
Medidor óptico de flujo de agua a base de rejillas de Bragg
G. Beltrán-Pérez*, M. Durán-Sánchez, J. Castillo-Mixcóatl, S. Muñoz-Aguirre
Facultad de Ciencia Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Av. San Claudio y Río
Verde, Col. San Manuel, Ciudad Universitaria, Puebla Pue. C. P. 72570
01 (55) 222 2295637, email: [email protected]
Abstract
Flow meters and sensors are important in various fields such as chemical industry, oil or gas transport, water
transport, among others, for monitoring or process control. Although there are a variety of fiber flow meters,
normally they are passive and expensive system. In the present work, output optical power behavior was
experimentally studied and it is shown that can be applied to the development of active and relatively cheaper
sensors. Particularly, there are presented results where is possible to quantify the water flow-rate in a pipeline.
As a result, it was possible to measure the water flow-rate in a range from 0 to 200 ml/s with a resolution of
approximately 8 ml/s in a 15 mm diameter pipe.
Keywords: Fiber optic sensor, Fiber Bragg Grating, Fiber optic laser, Water flow meter
Introducción
Desde su aparición las rejillas de Bragg han sido
aplicadas en diversas áreas de investigación. Desde
filtros y compensadores de dispersión en sistemas
de comunicaciones, hasta dispositivos detectores de
parámetros físicos en esquemas de sensores [1-2].
En esta última aplicación, las rejillas han tenido
gran aceptación debido a que éstas se fabrican en la
fibra óptica, con lo cual se adquiere la ventaja de
tener sensores muy ligeros, pequeños, de alta
sensibilidad y con inmunidad a interferencia
electromagnética [3-4]. Una ventaja adicional es
que las mediciones de variables físicas están
codificadas en el corrimiento de la longitud de onda
de Bragg (λB), dicho corrimiento es un parámetro
absoluto e insensible a pérdidas de intensidad por
conectores o empalmes en el guiado de la
información.
Los sensores basados en rejillas de Bragg pueden
ser divididos en dos tipos: los sensores pasivos los
cuales están basados únicamente en fibra estándar y
los sensores activos que están formados por fibra
dopada con iones de tierras raras. Estos últimos,
utilizan la característica de la fibra dopada para
generar emisión estimulada cuando las longitudes
de onda de Bragg de la rejilla sensora y de
referencia (λBS y λBR respectivamente) son iguales.
Estos sensores son llamados sensores láser de fibra
óptica [5]. Típicamente este tipo de sistemas
determinan la magnitud de la variable en cuestión
realizando mediciones espectrales del corrimiento
de λBS respecto de λBR con la ayuda de un
analizador de espectros ópticos (OSA) [6]. Con
estos sistemas se han realizado trabajos como el de
Mandal et al [7], donde se desarrolló un sensor de
temperatura y esfuerzo basado en un láser
ISBN: 9974-0-0337-7
sintonizado en donde la referencia es una rejilla
chirped de espectro amplio. Se monitorea el
corrimiento en la longitud de onda del láser para
evaluar las variables medidas por medio de un
OSA. Sin embargo, hasta ahora no se ha estudiado
el comportamiento de la potencia de salida del láser
conforme λBS se aproxima a λBR. El conocer este
comportamiento nos puede permitir realizar
mediciones de algunos parámetros de manera más
simple utilizando únicamente un fotodetector
convencional, lo cual disminuiría el costo del
sistema de medición.
En el presente trabajo se evalúa dicho efecto y se
muestra que puede ser aplicado al desarrollo de
sensores, en particular, se presentan resultados que
permiten cuantificar el valor del flujo de agua a
través de una tubería. Con este sensor se pudo
cuantificar el flujo de agua con una resolución de
aproximadamente 8 ml/s en un tubo con un
diámetro de 15 mm. Aunque se muestran resultados
solamente respecto a la medición de flujos de agua,
es claro que éste sistema puede emplearse para
otros líquidos, o para la medición de alguna otra
variable física (temperatura, presión etc.).
Arreglo experimental
El sistema básicamente consiste en un láser de fibra
óptica con una cavidad tipo Fabry-Perot. Como se
muestra en la Fig. 1. En este se utilizan dos rejillas
de Bragg como espejos (fabricadas por BRΛGG
Photonics). El medio activo es una fibra dopada
con erbio (EDFA) de 10 m de longitud. La fuente
de bombeo es un láser semiconductor de 980 nm
(Multiplex, Inc., MTX9P) con una potencia
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Punto
fijo
FBG-S
Estiramiento
FBG-R
EDFA
10m
Láser de
bombeo
Resultados y discusiones
Como ya se ha mencionado, inicialmente las FBGs
tienen longitudes de onda de Bragg diferentes, por
lo tanto para que exista una cavidad láser con
emisión óptima, es necesario igualar éstas
longitudes de onda. En principio, el fenómeno de
emisión estimulada se genera en éste momento (λBS
= λBR). Sin embargo, esto no es del todo cierto,
debido a que conforme los espectros de las rejillas
se van acercando, existen longitudes de onda en un
área de traslape que son reflejadas dentro de la
cavidad, lo cual permite su amplificación y generar
emisión láser aunque con una intensidad menor.
Por lo anterior, podría esperarse que exista alguna
relación entre la intensidad de salida del láser y la
magnitud de la variable física que provoca el
corrimiento de λBS.
En la Fig. 2 se muestran los resultados obtenidos
con el OSA. Aquí se muestra el espectro de
reflectancia de las rejillas sensora y de referencia
que forman la cavidad resonante, con λBS =
1548.28 nm y λBR = 1549.12 nm, con un traslape
inicial de los espectros de manera que se observa
una pequeña emisión láser. De esta misma figura se
observa que a medida que λBS se acerca a λBR
aparece la presencia de pequeños picos de emisión
cuyas amplitudes dependen de la magnitud del área
de traslape de ambos espectros hasta alcanzar un
punto máximo cuando λBS = λBR. Estas variaciones
en las amplitudes de los picos de emisión
modifican el valor de la intensidad a la salida de la
cavidad láser.
-20
WDM
980/1550
Acoplador
90/10
PB
FBG-S
Obstrucción
-30
-40
PA
Bomba
Medidor de
potencia
óptico
Estiramiento manual
del láser se utilizó un medidor de potencia óptica.
Estas mediciones se realizaron en el puerto A (PA)
del acoplador de salida 90/10.
Control de la
bomba
-50
Medidor de flujo de agua
Analizador
de
Espectros
Potencia óptica de salida
máxima de 100 mW, el cual es acoplado hacia la
EDFA por medio de un multiplexor por división de
longitud de onda (WDM) 980/1550 nm. A la salida
del sistema se utiliza un acoplador 90/10 de cuatro
puertos con el fin de monitorear la señal
amplificada.
Inicialmente las FBGs tienen longitudes de onda de
Bragg diferentes, λBS=1548.28 nm y λBR =1549.12
nm. Para que exista una cavidad láser en nuestro
arreglo, es necesario igualar las longitudes de onda
de Bragg de las rejillas que forman la cavidad. Esto
se realizó de dos maneras distintas: primero
estirando la rejilla con una montura mecánica para
observar la dependencia de la emisión láser
respecto del estiramiento. En el segundo caso se
muestra una aplicación a un sensor de flujo. Esto se
logra por medio de un sistema mecánico que
permite estirar la rejilla sensora mediante el flujo
de agua a través del tubo. El sistema mecánico
consiste de una tubería de 15 mm de diámetro y
dentro de esta se encuentra la FBG sensora, la cual
está unida a una obstrucción cilíndrica de plástico.
Se realizaron mediciones utilizando diferentes
diámetros de las obstrucciones, 3, 7 y 10 mm,
respectivamente. La función de dicha obstrucción
es oponerse al flujo de agua de tal forma que la
presión la desplace y de esta manera la rejilla se
estire. Esto provoca un corrimiento de λBS de
manera que los espectros de las rejillas puedan
traslaparse parcialmente logrando así la emisión
láser en el sistema incluso sin tener la condición
λBS = λBR como comúnmente se realiza.
-60
-70
K
Tanque de agua 1
Tanque de agua 2
J
C
Fig. 1. Arreglo experimental.
El flujo de agua se generó con una bomba (Little
Giant Pump, mod. CK-5) con una potencia de
1/150 HP. Con dicha bomba se puede obtener un
rango de flujos de 0 a 200 ml/s para el diámetro del
tubo (15 mm). El control de flujo se realiza a través
de la variación de velocidad de la bomba mediante
un circuito electrónico.
Para realizar la medición de los espectros de las
rejillas se utilizó un analizador de espectros óptico
(OSA), y para realizar la medición de la intensidad
ISBN: 9974-0-0337-7
F
1540
1545
1550
Longitud de onda (nm)
1555
10 µm
70 µm
140µm
200µm
Fig.2. Mediciones de los espectros de salida de la cavidad
conforme λBS se acerca a λBR.
Para evaluar esta dependencia se utilizó un medidor
de potencia convencional en el punto PA del
sistema mientras se inducía un estiramiento sobre
la rejilla sensora. Los resultados de este
experimento se muestran en la Fig.3, en donde se
grafica la potencia óptica obtenida contra el
estiramiento de la rejilla sensora en micrómetros.
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Potencia de salida (µW)
50
40
30
Rango lineal
20
10
Punto de inicio
transitorio con un tiempo de respuesta de
aproximadamente 30 s, a partir de los cuales la
señal se estabiliza manteniendo un nivel de
fluctuaciones constantes de alrededor de 1.2 µW.
1549.25
1548.75
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1548.00
0
ISBN: 9974-0-0337-7
150
200
250
Estas fluctuaciones probablemente se deben a la
vibración de la obstrucción provocada por la
turbulencia del flujo combinada con el ruido
intrínseco del sistema. En la Fig. 6 se presentan los
cambios de potencia óptica respecto del valor del
flujo de agua, obtenidos a partir de los resultados
presentados en la Fig. 5. En este caso las
mediciones se realizaron de manera que el flujo
cero coincidiera con el denominado punto de inicio
mostrado en la Fig. 3 con el fin de trabajar en la
región lineal. Es evidente que el comportamiento
de la respuesta es bastante lineal (R2 = 0.988).
40
Potencia óptica de salida µW
Los
resultados
del
fenómeno
mostrado
anteriormente pueden ser empleados para la
medición de distintas variables físicas. En este
trabajo en particular se muestra la evaluación de
flujos de agua a través de una tubería, como se
muestra en la Fig. 1.
La Fig. 4 muestra el comportamiento del
desplazamiento de λBS provocado por diferentes
valores de flujo de agua. A partir de estos
resultados puede observarse que la dependencia
entre λBS y el flujo es bastante lineal (R2 ≈ 0.995)
como era de esperarse.
La Fig. 5 presenta las variaciones de potencia
obtenida (en tiempo real) a la salida del sensor para
diferentes flujos en un rango de 0-200 ml/s con una
obstrucción de 10 mm. Como puede observarse, la
potencia de salida se incrementa conforme λBS se
aproxima a λBR. Además, también puede observarse
que el sistema mecánico presenta un efecto
100
Fig. 4. Corrimiento deλBS respecto del flujo de agua.
200
Sensor de flujo de agua.
50
Flujo de agua (ml/seg)
Estiramiento (µm)
Fig.3. Dependencia de la potencia óptica respecto del
estiramiento de la FBG-S.
1548.50
1548.25
0
0
2
R =0.995
1549.00
λBS (nm)
Para estiramientos pequeños, la potencia óptica
comienza a incrementarse muy lentamente hasta un
punto en donde el incremento es prácticamente
lineal, después de esto comienza a saturarse y
finalmente alcanza un punto máximo. Si se
continúa estirando la rejilla sensora, se obtiene el
efecto inverso (no mostrado). Es claro que esta
dependencia no es lineal, sin embargo puede
encontrarse una región de operación lineal de
manera rápida eligiendo un estiramiento inicial
(con un pequeño traslape entre los espectros) y un
rango de medición adecuados, como se muestra en
la figura. El perfil de este comportamiento
probablemente se encuentra relacionado con el
perfil de los espectros de reflectancia de las rejillas.
Este fenómeno puede usarse para variar las
características de esta curva, con la adecuada
elección de los perfiles de las FBGs, pudiendo
obtenerse un sensor con un intervalo lineal mayor,
diferentes sensibilidades, etc.
35
200 ml/s
30
180 ml/s
150 ml/s
25
20
110 ml/s
32
30
15
28
80 ml/s
10
26
≈ 1.2µW
≈ 30s
24
5 0 ml/s
22
350 375 400 425 450 475 500
0
0
200
400
600
800
1000
Tiempo (s)
Fig.5 Caracterización del desplazamiento de la potencia
óptica de salida respecto a la variación del flujo de agua.
Otra situación interesante que puede concluirse a
partir de la curva de la Fig. 6 y las consideraciones
de las fluctuaciones en la potencia de salida que se
observan en la Fig.5 es que la resolución del sensor
es de aproximadamente 8 ml/s para el tubo y la
obstrucción de 15 y 10 mm de diámetro,
respectivamente.
Uno de los parámetros que determinan la
sensibilidad del sensor es el área de la obstrucción
que se opone al flujo de agua dentro de la tubería.
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Para mostrar este efecto se realizaron mediciones
con diferentes diámetros de la obstrucción, 3, 7 y
10 mm, respectivamente. La Fig. 7 muestra los
cambios de potencia óptica respecto al flujo para
las diferentes obstrucciones empleadas. De esta
figura puede observarse que el sensor presenta una
mayor sensibilidad con la obstrucción de 10 mm de
diámetro, logrando tener una potencia máxima de
emisión de 35 µW a la salida del sensor láser (PA).
Potencia óptica de salida en PA (µW)
40
2
R =0.988
32
24
16
8
0
0
50
100
150
200
250
Flujo de agua (ml/seg)
Fig.6. Respuesta del sistema láser respecto del tiempo.
Además, en general, se obtiene un error de
aproximadamente 5% en toda la escala de
medición. Sin embargo, para obstrucciones más
pequeñas se tiene la ventaja de que se puede
ampliar el rango dinámico del sensor ya que para
un flujo de 200 ml/s apenas se tiene una salida de
aproximadamente 12.2 µW y el rango lineal se
extiende hasta aproximadamente 35 µW. En
nuestro caso, no se realizaron mediciones más allá
de éste valor de flujo por las características de la
bomba, pero por extrapolación, se determinó que el
rango dinámico puede alcanzar un valor de hasta 1
l/s para éste diámetro del tubo. Es claro que
dependiendo del diámetro del tubo, es posible
variar estos valores de rango y sensibilidad.
Potencia óptica de salida (µw)
10mm
7mm
3mm
24
16
8
0
0
50
100
150
200
250
Flujo de agua (ml/s)
Fig. 7. Cambios de potencia óptica respecto al flujo de agua
para las obstrucciones 3, 7 y 10 mm.
Conclusiones
En el presente trabajo se realizó un estudio
experimental acerca del comportamiento de la
potencia de la emisión en un láser de fibra óptica
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También se realizó la aplicación del fenómeno
estudiado a un sensor de flujo de agua. Los
resultados mostraron que es posible medir un rango
dinámico de 200 ml/s para un tubo y una
obstrucción de 15 y 10 mm de diámetro,
respectivamente. Además, es posible cambiar el
rango dinámico eligiendo un diámetro menor de la
obstrucción o incluso variando el diámetro del
tubo. En éste caso, para un diámetro de la
obstrucción de 3 mm se determinó que puede
medirse un rango dinámico de 0 a 1 l/s
aproximadamente.
Finalmente, en el presente trabajo, la aplicación se
realizó para un sensor de flujo de agua, sin
embargo, es claro que puede emplearse para medir
otros líquidos o para evaluar otras variables físicas
tales como temperatura, tensión, etc., con la
disminución en el costo del sistema arriba
mencionado.
40
32
basado en una cavidad Fabry-Perot conformada por
dos rejillas de Bragg. Estos sistemas normalmente
se utilizan para evaluar variables físicas
relacionándolas con el corrimiento de la longitud
de onda de Bragg de la rejilla sensora. Para realizar
estas mediciones, es necesario el uso de un OSA.
El estudio realizado demuestra que es posible
realizar esta misma evaluación empleando la
medición de la intensidad de salida por medio de
un fotodetector convencional mucho más barato.
Los resultados mostraron que la relación de la
potencia de salida con el desplazamiento de la
rejilla sensora tiene un comportamiento regular con
un determinado rango lineal, con lo que es posible
realizar las mediciones relacionando directamente
éste valor de potencia con el de la variable física
medida. El hecho de que la intensidad de salida del
láser se comporte de ésta manera, se puede atribuir
al traslape de los espectros de las rejillas, lo que
puede ser utilizado para modificar las
características de la respuesta del sensor, es decir,
modificar sensibilidad, rango dinámico y
posiblemente rango lineal. Para esto, seria
suficiente con elegir los perfiles adecuados de las
rejillas.
Actualmente se están realizando estudios acerca de
los efectos de los perfiles de los espectros de las
rejillas sobre la respuesta del sensor.
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