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| Distributed Temperature Sensing |
Los sistemas de fibra óptica son adecuados no sólo para la transmisión de información, sino también como sensores distribuidos localmente. Las magnitudes físicas de medida como la temperatura o las fuerzas de compresión y de tracción pueden influir en las fibra de vidrio y modificar localmente las propiedades de los conductores de luz en la fibra. Como resultado de la atenuación de la luz en las fibras de vidrio de cuarzo producida por la dispersión, se puede determinar el lugar de una influencia física externa, de manera que la guía de ondas de luz se puede utilizar como un sensor lineal.
El llamado efecto Raman es especialmente apropiado para la medición de la temperatura con guíaondas de luz de vidrio de cuarzo. En el interior de la fibra de vidrio, la luz se dispersa en fluctuaciones de densidad microscópicas, que son menores que la longitud de onda. En la retrodispersión, junto al coeficiente de dispersión elástica (Dispersión de Rayleigh) en la misma longitud de onda que la luz incidente, también se encuentran componentes adicionales en otras longitudes de onda, que están acoplados a la oscilación molecular y, por tanto, a la temperatura local (Dispersión de Raman).
Procedimiento de medición
El sistema de medición de temperatura por fibra óptica (DTS) se basa en un procedimiento de retrodispersión Raman por fibra óptica. El detector de calor (sensor de temperatura) propiamente dicho, es un cable guíaondas fibroóptico sensible al calor y a la radiación. Por medio de un aparato de evaluación (reflectómetro óptico Raman) se pueden determinar con resolución espacial los valores de temperatura en la fibra de vidrio del cable guíaondas. Las guíaondas de luz tienen atenuaciones mínimas. La atenuación mínima posible de las fibras de vidrio está limitada por la dispersión Rayleigh de la luz, causada por la estructura amorfa de la fibra de vidrio. Además de la dispersión de Rayleigh, si se producen influencias térmicas en el material de fibra de vidrio se origina otra dispersión de la luz, la llamada dispersión de Raman. Los cambios de temperatura inducen vibraciones reticulares en la estructura molecular del vidrio de cuarzo. Si la luz incide en estas oscilaciones moleculares estimuladas térmicamente, se produce una interacción entre las partículas de luz (fotones) y los electrones de la molécula. En el guíaondas de luz tiene lugar la dispersión de luz dependiente de la temperatura (dispersión de Raman) que, a diferencia de la luz incidente, se desplaza espectralmente en una cantidad equivalente a la frecuencia de resonancia de la vibración reticular.
En comparación con la dispersión de Rayleigh, la dispersión de Raman posee un coeficiente de dispersión muy pequeño, prácticamente irrelevante, y no puede medirse con la técnica clásica OTDR. La intensidad de la banda Anti-Stokes depende de la temperatura, mientras que la banda Stokes es prácticamente independiente de ésta. La medición de la temperatura local en un punto cualquiera de la guía de ondas, resulta de la “proporción de las intensidades de luz Anti-Stokes y Stokes”. Una particularidad de esta técnica de Raman, es la medición directa de la temperatura con una escala Kelvin. Utilizando un procedimiento de retrodispersión óptico Raman, se puede medir la temperatura a lo largo de la fibra de vidrio como una función de lugar y de tiempo. El procedimiento de retrodispersión más conocido es el sistema OTDR (OTDR: Optical Time Domain Reflectometry). Éste trabaja según un procedimiento de eco de impulsos, mediante el que el nivel y el lugar de dispersión se determinan a partir de la diferencia de tiempo de propagación entre la emisión y la detección de los impulsos de luz. En comparación con la luz dispersa de Rayleigh, en la medición de luz dispersa de Raman existe una señal de retrodispersión más pequeña con un factor 1000. Un sensor de temperatura Raman distribuido localmente con la técnica OTDR, por lo tanto, sólo es factible con fuentes de láser pulsado (en láser de estado sólido general) de alta potencia (caras) y con rápidas técnicas de promediación de señal igualmente caras.
El sensor térmico Raman OFDR (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) desarrollado por la empresa LIOS Technology GmbH, no trabaja como la técnica OTDR en un margen temporal, sino en una gama de frecuencias. El procedimiento OFDR proporciona información sobre el desarrollo térmico local, cuando la señal de dispersión detectada durante el tiempo de medición completo se mide como una función de frecuencia de forma compleja (función compleja de transmisión) y, a continuación, se somete a la transformada de Fourier. Las ventajas fundamentales de la técnica OFDR son el modo prácticamente continuo del láser y la detección de banda estrecha de la señal óptica de retrodispersión, por lo que se alcanza una relación señal-ruido notablemente más alta que con la técnica por impulsos. Esta ventaja técnica posibilita la aplicación de diodos de láser semiconductorizados económicos y la utilización de módulos electrónicos más económicos para la promediación de señales. Frente a ésta, se encuentra la medición, técnicamente difícil, de la luz dispersa de Raman (medición compleja según cantidad y fase) y un costoso procesado de señal mediante el cálculo de la Transformada rápida de Fourier (FFT), con exigencias más elevadas de linealidad de los módulos electrónicos.
