SENSOR DE FIBRA OPTICA AUTOREFERENCIADO PARA LA DETECCION DE LIQUIDO Y/O MEDIDA DE NIVEL DE LIQUIDO.

Sensor de fibra óptica autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido.

Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, que comprende un sistema emisor configurado para generar una señal óptica, y un sistema receptor medidor de potencia que comprende al menos dos entradas simultáneas, comprendiendo un acoplador que comprende dos tramos de fibra óptica que están dispuestos en oposición con un radio de curvatura crítico RC, teniendo eliminada la cubierta de protección y parcialmente eliminado el núcleo en una zona de acoplo entre dichos dos tramos de fibra óptica, que están separados por un líquido con un índice de refracción n, de forma que una constante de acoplo K del sensor depende de dicho índice de refracción n, lo que permite detectar la presencia de dicho líquido, así como su nivel

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200701937.

Solicitante: UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.

Nacionalidad solicitante: España.

Provincia: MADRID.

Inventor/es: VAZQUEZ GARCIA,CARMEN.

Fecha de Solicitud: 10 de Julio de 2007.

Fecha de Publicación: .

Fecha de Concesión: 8 de Junio de 2011.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01J5/08 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES.G01J 5/00 Pirometría de las radiaciones. › Particularidades ópticas.
  • G01N21/41 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Refracción; Propiedades ligadas a la fase, p. ej. longitud del recorrido óptico (G01N 21/21 tiene prioridad).
  • G02B6/125 G […] › G02 OPTICA.G02B ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene prioridad; elementos ópticos especialmente adaptados para ser utilizados en los dispositivos o sistemas de iluminación F21V 1/00 - F21V 13/00; instrumentos de medida, ver la subclase correspondiente de G01, p. ej. telémetros ópticos G01C; ensayos de los elementos, sistemas o aparatos ópticos G01M 11/00; gafas G02C; aparatos o disposiciones para tomar fotografías, para proyectarlas o para verlas G03B; lentes acústicas G10K 11/30; "óptica" electrónica e iónica H01J; "óptica" de rayos X H01J, H05G 1/00; elementos ópticos combinados estructuralmente con tubos de descarga eléctrica H01J 5/16, H01J 29/89, H01J 37/22; "óptica" de microondas H01Q; combinación de elementos ópticos con receptores de televisión H04N 5/72; sistemas o disposiciones ópticas en los sistemas de televisión en colores H04N 9/00; disposiciones para la calefacción especialmente adaptadas a superficies transparentes o reflectoras H05B 3/84). › G02B 6/00 Guías de luz; Detalles de estructura de las disposiciones que comprenden guías de luz y otros elementos ópticos, p. ej. medios de acoplamiento. › Curvaturas, ramificaciones o intersecciones.
  • G02B6/24 G02B 6/00 […] › Acoplamiento de guías de luz (para guías de ondas eléctricas H01P 1/00).

Clasificación PCT:

  • G01J5/08 G01J 5/00 […] › Particularidades ópticas.
  • G01N21/41 G01N 21/00 […] › Refracción; Propiedades ligadas a la fase, p. ej. longitud del recorrido óptico (G01N 21/21 tiene prioridad).
  • G02B6/125 G02B 6/00 […] › Curvaturas, ramificaciones o intersecciones.
  • G02B6/24 G02B 6/00 […] › Acoplamiento de guías de luz (para guías de ondas eléctricas H01P 1/00).

Fragmento de la descripción:

Sensor de fibra óptica autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un sensor de fibra óptica autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, estando dicho líquido confinado en un depósito, que tiene aplicación en la industria de dispositivos sensores.

El dispositivo sensor que la invención propone comprende un acoplador, mediante el cual se consigue autoreferencia, basado en la medición o detección de pérdidas de potencia por curvatura y por pulido de parte de un núcleo de una fibra óptica, para la medida de intensidad de la potencia óptica en un receptor. La constante de acoplo varía según el tipo de líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, permitiendo detectar la presencia de líquido, así como el tipo de líquido en el que se encuentra inmerso el sensor.

El acoplador comprende una guía de entrada y dos guías de salida de forma que la cantidad de luz acoplada a cada guía de salida varía cuando la zona de acoplo se encuentra sumergida en un líquido, siendo dicha variación tal que la diferencia de potencia entre ambas guías es sensible al nivel y no es sensible a variaciones en la potencia emitida por el emisor o a curvaturas en la guía que se conecta con el depósito que contiene el líquido, consiguiéndose un sensor de intensidad con auto-referencia, que permite su utilización para la medida de nivel de líquido no corrosivo en depósitos en general, como por ejemplo depósitos de combustible de vehículos con requerimientos de bajo peso, tales como ultraligeros.

Antecedentes de la invención

Durante los últimos años se han desarrollado multitud de sensores ópticos para medir parámetros tanto físicos como químicos debido a que presentan innumerables ventajas frente a sensores eléctricos o sensores mecánicos, tales como inmunidad a interferencias electromagnéticas además de una fácil manipulación, lo que les permite ser ubicados en lugares tanto inaccesibles como hostiles.

Igualmente resulta conocido el uso de sensores de fibra óptica para la medida de nivel en entornos críticos, tales como depósitos de combustibles, quedando de manifiesto las características idóneas de la fibra óptica para este tipo de medidas por su carácter inerte e intrínsecamente seguras, entre otras.

Entre los sensores actualmente utilizados, se encuentran los denominados sensores de intensidad en los que la magnitud a medir, en este caso el nivel de un depósito, producen variaciones de la potencia óptica que llega al detector o receptor.

Dentro de este tipo de sensores existen diversas subclasificaciones, atendiendo al tipo de medida según sea continua o discreta, o atendiendo al tipo de sensor según sea intrusivo, es decir, en contacto con el líquido, o no intrusivo.

En todos estos casos es común la utilización de fibra óptica, cuyas partes principales se han representado en la figura 1, que está constituida por al menos un filamento que habitualmente comprende un núcleo central, en inglés denominado "core", y una cubierta, en inglés denominada "cladding", a modo de cilindros concéntricos de distinto material, que permiten el guiado de la luz por reflexión total como consecuencia de la diferencia de índices de refracción de ambos materiales. El conjunto anterior se suele proteger con un recubrimiento adicional, denominado en inglés "coating".

El núcleo central de cada filamento puede ser de plástico o de cristal y tiene un índice de refracción elevado, estando rodeado dicho núcleo central por una cubierta, de un material similar al del núcleo, que tiene un índice de refracción ligeramente inferior al del núcleo.

Así, cuando la luz llega a una superficie límite con un índice de refracción inferior, se refleja casi en su totalidad. Dicha reflexión es mayor cuanto mayor sea la diferencia de índices de refracción de ambos materiales y cuanto mayor sea el ángulo de incidencia en la intercara, teniéndose en tales casos un fenómeno de reflexión interna total que se rigen por las leyes de la óptica geométrica, y más concretamente por la ley de la reflexión, o principio de reflexión interna total, y la ley de Snell.

El funcionamiento de la fibra óptica se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, de forma que dicho haz no atraviese el núcleo, sino que se refleje y se siga propagando por el núcleo, lo cual se consigue siempre que el índice de refracción del núcleo sea superior al índice de refracción de la cubierta o revestimiento, siempre y cuando el ángulo de incidencia sea superior a un ángulo límite.

En el ámbito de los dispositivos sensores ópticos, las fibras ópticas de plástico, denominadas en inglés "Plastic Optical Fibres (POFs)", llevan experimentando un gran crecimiento y auge frente a las fibras ópticas de vidrio, debido a que presentan ventajas tales como mayor facilidad de manipulación, mayor flexibilidad, mayor robustez y un coste notablemente inferior. La mayoría de este tipo de sensores se basa en la intensidad de potencia óptica en recepción.

En la actualidad, con el objetivo de aumentar la sensibilidad de los sensores de fibras ópticas de plástico frente a un determinado parámetro se realizan curvaturas en la fibra, lo que produce pérdidas por curvatura en la potencia óptica de recepción, las cuales han sido ampliamente estudiadas e investigadas por diversos autores. Además, diferentes tipos de radios de curvatura han sido estudiados para la evaluación de dichas pérdidas de potencia.

Si además de introducir curvaturas en la fibra se elimina la cubierta y se pule el núcleo de la fibra óptica, eliminando una parte de éste, las pérdidas debidas a curvaturas aumentan, haciendo más sensible el sensor respecto del parámetro a medir.

El inconveniente que presenta este tipo de sensores es que tienen escasa robustez, y por lo tanto fiabilidad, puesto que el parámetro sensible, que es la constante de acoplo del sensor no permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada o a pérdidas de potencia no deseadas en el enlace, lo cual lleva a falsas estimaciones del tipo de líquido que rodea al sensor.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un sensor de fibra óptica, preferentemente de plástico, autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, en este último caso una vez sumergido el sensor en el seno de dicho líquido.

El sensor comprende un acoplador configurado para variar o modificar una constante de acoplo K en función de un índice de refracción del líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, obteniéndose así una variación de dicha constante de acoplo K según el tipo de líquido de que se trate.

Frente a anteriores esquemas propuestos, la utilización de un acoplador con pérdidas por curvaturas en sensores de intensidad para detección de nivel o presencia de líquidos que la invención propone presenta la ventaja de estar autoreferenciado. Mediante esta técnica se dota de mayor robustez al sensor puesto que el parámetro sensible a medir, esto es la constante de acoplo K del sensor permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada o pérdidas de potencia no deseadas en el enlace, evitándose la obtención de falsas estimaciones sobre el tipo de líquido que rodea al sensor, presentando dependencia únicamente según el tipo de líquido presente en el medio exterior.

Así, diferentes líquidos con diferentes índices de refracción pueden ser discriminados con el sensor de la invención.

Además la medida de la intensidad de potencia óptica está sujeta a variaciones imprevistas debidas a degradación de componentes, condiciones ambientales diferentes o a fluctuaciones en las fuentes ópticas, para lo cual el sensor de la invención tiene una corrección mediante medios de autoreferencia, lo que dota de una mayor robustez al enlace entre el emisor, el sensor y el receptor, debido a la utilización de dichos medios de autoreferencia.

En el sensor de la invención la constante de acoplo K presenta variaciones de hasta un 4% respecto de su valor nominal, lo que permite discriminar el tipo de líquido que rodea al sensor en cada caso como consecuencia de dicha variación.

Al generar una curvatura sobre un determinado...

 


Reivindicaciones:

1. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, que comprende un sistema emisor configurado para generar una señal óptica, y un sistema receptor medidor de potencia que comprende al menos dos entradas simultáneas, caracterizado porque comprende un acoplador que comprende dos tramos de fibra óptica que están dispuestos en oposición con un radio de curvatura crítico RC, teniendo eliminada la cubierta de protección y parcialmente eliminado el núcleo en una zona de acoplo entre dichos dos tramos de fibra óptica, que están separados por un medio con un índice de refracción n, de forma que una constante de acoplo K del sensor depende de dicho índice de refracción n.

2. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según la reivindicación 1, caracterizado porque la constante de acoplo K permanece invariante ante fluctuaciones de potencia a la entrada del sensor.

3. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el acoplador comprende un puerto de entrada p1 y un puerto de salida directo p2, que se encuentran en un primer tramo de fibra óptica, comprendiendo un puerto de salida acoplado p4, que se encuentra en el segundo tramo de fibra óptica, estando situado dicho puerto de salida acoplado p4 en correspondencia con el puerto de salida directo p2.

4. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los dos tramos de fibra óptica están separados por un líquido en el que se encuentra inmerso el sensor, teniéndose una variación de dicha constante de acoplo K según el tipo de líquido de que se trate.

5. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tramos de fibra óptica comprenden un núcleo que tiene un índice de refracción del núcleo n1 ligeramente superior a un índice de refracción de una cubierta n2 de dichas fibras ópticas.

6. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el radio de curvatura crítico RC es directamente proporcional a una longitud de onda de operación l, e inversamente proporcional a la diferencia relativa entre el índice de refracción del núcleo n1 y el índice de refracción de la cubierta n2.

7. Sensor de fibra óptica de plástico autoreferenciado para la detección de líquido y/o medida de nivel de líquido, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la zona de acoplo tiene aproximadamente 3 cm de longitud.


 

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