DISPOSITIVO ÓPTICO PARA LA MONITORIZACIÓN DE UN ÁRBOL GIRATORIO CON UN EJE ORIENTADO.

Dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio (10) con un eje orientado (13),

que comprende, al menos, un conductor de fibra óptica (20) dispuesto sobre el árbol giratorio (10), provisto de, al menos, un sensor óptico (21) a través del cual el, al menos un, sensor óptico (21) se puede consultar mediante una señal luminosa (LS), - una unidad emisora/receptora (40) dispuesta de manera fija en relación con el árbol giratorio (10), con la cual se puede emitir la señal luminosa (LS), - medio de transmisión mediante el cual la señal luminosa (LS) se puede transmitir entre la unidad emisora/receptora (40) dispuesta de manera fija, y el conductor de fibra óptica (20) dispuesto sobre el árbol giratorio (10), y - una unidad de evaluación (43) asignada a la unidad emisora/receptora (40) para la determinación de una variable física a partir de una señal luminosa (LS') que proviene, al menos, de un sensor óptico (21) y que es transmitida por el medio de transmisión, en donde - el medio de transmisión presenta - al menos, un conductor de fibra óptica "multimodo" (30) asignado a la unidad emisora/receptora (40) y dispuesto de manera fija en relación con el árbol giratorio (10), que presenta medios de acoplamiento asignados (30K), y - al menos, otro conductor de fibra óptica "multimodo" (31) dispuesto sobre el árbol giratorio (10) de manera excéntrica en relación con su eje (13), y que se encuentra conectado con el, al menos un, conductor de fibra óptica (20), y que presenta medios de acoplamiento (31K) asignados, y - las señales luminosas (LS, LS') se pueden transmitir entre los conductores de fibra óptica "multimodo" (30, 31) a través de los medios de acoplamiento (30K, 31K)

Dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio con un eje orientado La presente invención hace referencia a un dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio con un eje orientado.

La medición de temperaturas y deformaciones de las piezas giratorias, como por ejemplo, en árboles de accionamiento y en árboles de generadores, resulta cada vez más importante dado que debido a los requerimientos cada vez más elevados en relación con el rendimiento, dichas piezas se accionan hasta alcanzar los límites de carga. Para ello se utilizan generalmente sensores de temperatura eléctricos convencionales, como por ejemplo, elementos termoeléctricos, y sensores eléctricos de deformación, como por ejemplo, sensores piezoeléctricos. Además, en primer lugar las señales del sensor se deben acondicionar al árbol. Esto se realiza convencionalmente con amplificadores de medición especiales. Mediante una radiotransmisión o una transmisión IR, las señales de medición acondicionadas de esta manera, son transmitidas por el árbol a una unidad emisora/receptora dispuesta de manera fija en relación con el árbol. Por lo tanto, en cada caso se debe proporcionar energía auxiliar al árbol, para poder accionar los componentes electrónicos dispuestos en dicho lugar. Por ejemplo, esto se puede realizar mediante una batería o también mediante un transmisor inductivo. En síntesis, de esta manera se genera un consumo de energía elevado. Dado que se pueden presentar fuerzas centrífugas elevadas en el caso de que los ejes roten rápidamente, los componentes electrónicos correspondientes se deben adaptar a dichas condiciones extremas. Generalmente, los componentes electrónicos se obturan.

En lugar de los sensores eléctricos, se conoce el empleo de sensores ópticos basado en los conductores de fibra óptica, como por ejemplo, sensores FBG (FBG: fibras ópticas con redes de Bragg) para esta clase de mediciones en piezas que rotan rápidamente. Además, resultan particularmente dificultosos el acoplamiento o bien, el desacoplamiento entre una unidad emisora/receptora óptica dispuesta de manera fija, y el árbol giratorio. Por consiguiente, resultan particularmente apropiados, por ejemplo, los transmisores ópticos dispuestos axialmente en una superficie frontal del árbol giratorio, que mediante dos colimadores transmiten señales luminosas entre una unidad emisora/receptora dispuesta de manera fija en relación con el árbol, y un conductor de fibra óptica dispuesto sobre el árbol giratorio. Además, ambos colimadores se encuentran dispuestos en una carcasa en común, que está conformada por una pieza que rota solidariamente y una pieza que puede rotar independientemente. Sin embargo, esta clase de transmisores ópticos no resultan apropiados para la medición en árboles en los que no se puede acceder a su superficie frontal.

El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio que resulta resistente y que se puede emplear en general a lo largo del árbol.

Dicho objeto se resuelve, conforme a la presente invención, con las características indicadas en la reivindicación 1.

En el caso del dispositivo óptico conforme a la presente invención, se trata de un dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio con un eje orientado, que comprende:

- al menos, un conductor de fibra óptica dispuesto sobre el árbol giratorio, provisto de, al menos, un sensor óptico a través del cual el, al menos un, sensor óptico se puede consultar mediante una señal luminosa,

- una unidad emisora/receptora dispuesta de manera fija en relación con el árbol giratorio, con la cual se puede emitir la señal luminosa,

- medio de transmisión mediante el cual la señal luminosa se puede transmitir entre la unidad emisora/receptora dispuesta de manera fija, y el conductor de fibra óptica dispuesto sobre el árbol giratorio, y

- una unidad de evaluación asignada a la unidad emisora/receptora para la determinación de una variable física a partir de una señal luminosa que proviene, al menos, de un sensor óptico y que es transmitida por el medio de transmisión, en donde el medio de transmisión presenta

- al menos, un conductor de fibra óptica “multimodo” asignado a la unidad emisora/receptora y dispuesto de manera fija en relación con el árbol giratorio, que presenta medios de acoplamiento asignados, y

- al menos, otro conductor de fibra óptica “multimodo” dispuesto sobre el árbol giratorio de manera excéntrica en relación con su eje, y que se encuentra conectado con el, al menos un, conductor de fibra óptica, y que presenta medios de acoplamiento asignados, y

- las señales luminosas se pueden transmitir entre los conductores de fibra óptica “multimodo” a través de los medios de acoplamiento.

Mediante la instalación excéntrica del otro conductor de fibra óptica “multimodo” y del medio de acoplamiento asignado dispuesto sobre el árbol giratorio, se puede realizar la transmisión de las señales luminosas entre el medio de acoplamiento dispuesto sobre el árbol y el medio de acoplamiento dispuesto de manera fija, sólo mediante un acoplamiento de haz libre. Además, las señales luminosas se pueden transmitir entre los medios de acoplamiento, en una rotación del árbol sólo durante una ventana de tiempo reducida. Dado que el medio de transmisión presenta conductores de fibra óptica “multimodo”, se garantiza la ausencia de pérdidas por acoplamiento en la transmisión de las señales luminosas entre los medios de acoplamiento. Mediante la pasada doble por la sección de acoplamiento, es decir, la distancia entre ambos medios de acoplamiento, en el caso de una medición, por ejemplo, cuando se utilizan conductores de fibra óptica "monomodo" en lugar de los conductores de fibra óptica “multimodo”, se generan pérdidas por acoplamiento muy elevadas que impiden una medición fiable. Por otra parte, un acoplamiento de haz libre de los conductores de fibra óptica “multimodo”, en comparación con los conductores de fibra óptica “monomodo” que requieren de una compensación considerablemente menor, resulta costoso e insensible ante una descompensación. La variable física a determinar es particularmente la temperatura y/o la deformación del árbol.

Los acondicionamientos ventajosos del dispositivo óptico conforme a la presente invención, se deducen de las reivindicaciones relacionadas con la reivindicación 1.

De esta manera, resulta ventajoso cuando el, al menos un, sensor óptico es, al menos, un sensor FBG y el, al menos un, conductor de fibra óptica es, al menos, un conductor de fibra óptica “monomodo”. Un sensor FBG permite una medición muy limitada de la temperatura y/o de la deformación, aproximadamente puntual, es decir, que se realiza localizadamente. En comparación, un sensor óptico que se puede aplicar esencialmente también, de acuerdo con el principio de Brillouin o de Raman, presenta generalmente un efecto integrador local determinado que puede alcanzar, por ejemplo, una pluralidad de metros. Una medición puntual, es decir, particularmente una limitación localizada del punto de detección a unos pocos milímetros, no se puede lograr con esta clase de sensores ópticos. Sin embargo, esto se puede realizar sin dificultades con un sensor FBG. Además, en el sensor FBG, la señal luminosa suministrada refleja nuevamente una fracción determinada a través de la longitud de onda de Bragg correspondiente (longitud de onda efectiva) . La longitud de onda de Bragg se modifica con la variable de influencia presente en el lugar de medición, en este caso particularmente de la temperatura y/o de la deformación del árbol en el lugar del sensor FBG. Dicha modificación en el contenido de la longitud de onda (o espectro de longitud de onda) de la respectiva señal luminosa (parcial) reflejada nuevamente, se puede utilizar como medida para la variable de influencia a detectar (temperatura y/o deformación) . Para la consulta del sensor FBG mediante la señal luminosa, se utiliza particularmente una fuente de luz con banda ancha, como por ejemplo, un LED con un ancho de banda de alrededor de 45 nm, un SLD con un ancho de banda de alrededor de 20 nm o un láser variable con un ancho de banda de alrededor de 100 nm.

De manera ventajosa, se proporcionan una pluralidad de sensores FBG en diferentes puntos a lo largo del, al menos un, conductor de fibra óptica “monomodo”. También resulta ventajoso cuando el, al menos, un conductor... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo óptico para la monitorización de un árbol giratorio (10) con un eje orientado (13) , que comprende, al menos, un conductor de fibra óptica (20) dispuesto sobre el árbol giratorio (10) , provisto de, al menos, un sensor óptico (21) a través del cual el, al menos un, sensor óptico (21) se puede consultar mediante una señal luminosa (LS) ,

- una unidad emisora/receptora (40) dispuesta de manera fija en relación con el árbol giratorio (10) , con la cual se puede emitir la señal luminosa (LS) ,

- medio de transmisión mediante el cual la señal luminosa (LS) se puede transmitir entre la unidad emisora/receptora

(40) dispuesta de manera fija, y el conductor de fibra óptica (20) dispuesto sobre el árbol giratorio (10) , y

- una unidad de evaluación (43) asignada a la unidad emisora/receptora (40) para la determinación de una variable física a partir de una señal luminosa (LS') que proviene, al menos, de un sensor óptico (21) y que es transmitida por el medio de transmisión, en donde

- el medio de transmisión presenta

- al menos, un conductor de fibra óptica “multimodo” (30) asignado a la unidad emisora/receptora (40) y dispuesto de manera fija en relación con el árbol giratorio (10) , que presenta medios de acoplamiento asignados (30K) , y

- al menos, otro conductor de fibra óptica “multimodo” (31) dispuesto sobre el árbol giratorio (10) de manera excéntrica en relación con su eje (13) , y que se encuentra conectado con el, al menos un, conductor de fibra óptica (20) , y que presenta medios de acoplamiento (31K) asignados, y

- las señales luminosas (LS, LS') se pueden transmitir entre los conductores de fibra óptica “multimodo” (30, 31) a través de los medios de acoplamiento (30K, 31K) .

2. Dispositivo óptico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el, al menos un, sensor óptico (21) es, al menos, un sensor de fibra con redes de Bragg y el, al menos un, conductor de fibra óptica (20) es, al menos, un conductor de fibra óptica “monomodo”.

3. Dispositivo óptico de acuerdo con al reivindicación 2, caracterizado por una pluralidad de sensores de fibra con redes de Bragg (21) dispuestos en diferentes puntos a lo largo del, al menos un, conductor de fibra óptica “monomodo” (20) .

4. Dispositivo óptico de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el, al menos, un conductor de fibra óptica “multimodo” (31) dispuesto sobre el árbol giratorio (10) , se encuentra conectado con una pluralidad de conductores de fibra óptica "monomodo” (20) .

5. Dispositivo óptico de acuerdo con la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque los sensores de fibra con redes de Bragg (21) presentan diferentes longitudes de onda de Bragg entre sí.

6. Dispositivo óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la señal luminosa (LS) que puede emitir la unidad emisora/receptora (40) , presenta longitudes de onda del rango de longitudes de onda visible y/o del rango de longitudes de onda del infrarrojo próximo.

7. Dispositivo óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la señal luminosa (LS) que puede emitir la unidad emisora/receptora (40) es, al menos, un pulso de luz.

8. Dispositivo óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la unidad de evaluación (43) presenta un espectrómetro óptico con, al menos, una línea de sensor CCD.

9. Dispositivo óptico de acuerdo con una de los reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la unidad de evaluación (43) presenta, al menos, un filtro de borde complementario con, al menos, un fotodetector.