Sensores y Actuadores A

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“Determinación de la presión, la temperatura y el índice de refracción de fluidos utilizando un único sensor de punto de fibra óptica”
Resumen
La determinación precisa de los parámetros físico-químicos de los fluidos es de gran importancia en muchas aplicaciones de ingeniería de procesos. No solo el monitoreo de la distribución de fases en los sistemas de tuberías, sino también la detección de concentraciones químicas en líquidos es de interés para una operación eficiente, segura y confiable de aplicaciones a escala industrial y de laboratorio. En este documento, presentamos un sensor de fibra óptica en miniatura totalmente de sílice capaz de medir la presión, la temperatura y el índice de refracción de un fluido en un solo punto simultáneamente. En el futuro, dicho sensor se puede utilizar en aplicaciones en las que estas cantidades y, por lo tanto, la composición de fase o la concentración química deban monitorearse posiblemente en entornos hostiles, como pozos geotérmicos o de perforación de petróleo.
1. Introducción 
La presión, la temperatura y el índice de refracción de un medio no son variables independientes. Determinando la presión, la temperatura y el índice de refracción de una solución de composición salina conocida mediante el uso de radiación láser con longitud de onda conocida, se puede determinar la concentración de sal. Otra aplicación de monitoreo relevante es la determinación de la composición de fase de un fluido dentro de un pozo geotérmico o de petróleo. Dado que el índice de refracción de una sustancia en la fase líquida es significativamente diferente del de la fase gaseosa, dicho sensor se puede usar para monitorear la composición exacta de la fase de un fluido. Ya sea que se produzca un fluido monofásico o bifásico a partir de diferentes horizontes geológicos, por ejemplo, tendrá una influencia significativa en la estrategia de explotación de dicho pozo. reacciones de reacciones de precipitación o reacciones que implican un cambio de fase, es de gran importancia investigar, comprender y controlar los procesos correspondientes. El monitoreo de dichos procesos es especialmente importante en condiciones de alta temperatura (p. ej., >150 °C) y alta presión (p. ej., >10 MPa), por ejemplo, en aplicaciones geotérmicas[6]. Sin embargo, muchos sistemas de sensores convencionales tienen dificultades para operar en tales condiciones debido al límite de temperatura operativa de los componentes electrónicos disponibles. 
Una solución potencial es el uso de sensores de fibra óptica, que tienen las ventajas inherentes de ser tolerantes a altas temperaturas y presiones, en tamaño miniatura, resistentes a la corrosión, eléctricamente pasivos, multiplexables y capaces de ser operados remotamente. En el pasado, Se han diseñado varios sensores de fibra óptica diferentes para medir simultáneamente la presión y el RI o la temperatura y el RI. Por ejemplo, para determinar la temperatura y el RI simultáneamente, varios sistemas diferentes, como una rejilla de FibreBragg (FBG) en forma de cono parcial, un interferómetro Mach-Zehnder (MZI) en línea integrado en un FBG, un MZI de compensación de núcleo combinado con un FBG o un Long Se han informado MZI basados ​​en Período Grating (LPG). También se ha propuesto un sensor de fibra óptica basado en una punta de sensor SU-8, un interferómetro Fabry-Perot (FPI) de doble cavidad o un FPI insensible a la temperatura basado en una fibra de cristal fotónico. Para medir tanto la presión como el RI, se ha descrito una combinación de FPI de cavidad sensible a la presión y camino abierto. Sin embargo, hasta la fecha, solo se ha informado sobre un concepto de sensor de fibra óptica para medir simultáneamente la presión, la temperatura y el RI. El sensor de fibra óptica consta de un sofisticado
transductor de zafiro de múltiples cavidades, donde se utilizan una cavidad de diafragma, una cavidad de detección de presión y una cavidad de base para determinar los tres parámetros. En trabajos anteriores demostramos la medición simultánea de presión y temperatura para presiones de hasta 30 MPa y temperaturas de hasta 430 ◦C mediante el uso de un sensor de interferómetro extrínseco de Fabry-Perot (EFPI) de fibra óptica que contiene un elemento sensor de referencia de rejilla de Bragg de fibra (FBG) integrado. El diseño del sensor también se ha probado con éxito hasta 70 MPa en condiciones isotérmicas. En este trabajo investigamos, por primera vez, la medida adicional del RI del medio circundante. Basado en la estructura totalmente de sílice y la capacidad de medir simultáneamente la presión, la temperatura y el IR, el sensor de fibra óptica multiparámetro puede, en el futuro, implementarse en condiciones ambientales adversas, como las que se experimentan en el monitoreo de procesos químicos o geotermia de fondo de pozo. aplicaciones
2. Antecedentes teóricos
2.1. Principio de funcionamiento
El cabezal del sensor está completamente fabricado con elementos de sílice fundido, es decir, está completamente hecho de vidrio. El sensor se fabrica empalmando una fibra de vidrio de sílice de 200 m y una fibra monomodo (SM) que tiene un FBG integrado en ambos lados de un capilar de vidrio de sílice de 133 m/220 m (diámetro interior/exterior). El empalme se logra mediante el uso de un empalmador de fusión convencional (BIT MM-40). El elemento EFPI se fabrica en el cabezal del sensor cortando y puliendo la fibra de 200 m de manera que quede a varias decenas o cientos de micrómetros del capilar de vidrio/empalme de fibra de 200 m. El funcionamiento del sensor múltiple es de la siguiente manera: la luz de intensidad I0 se propaga al cabezal del sensor a través de la fibra SM, un componente de longitud de onda de esta luz se refleja en el FBG, siendo la longitud de onda reflejada igual a la longitud de onda B de Bragg. Todos los demás componentes de longitud de onda se propagan a través de la FBG y se reflejan en tres lugares: a) la interfaz vidrio/aire de la fibra SM (A01); b) la interfaz aire/vidrio de la fibra de 200 m (A12) y c) la interfaz entre la fibra de 200 m y el medio circundante (A23). Los tres reflejos se propagan de regreso a la fibra SM y regresan a la interrogación. instrumentación. Debido a los bajos coeficientes de reflexión de A01, A12 y A23 y despreciando cualquier interferencia entre el FBG y los reflejos de las cavidades EFPI, el espectro del sensor reflejado se puede calcular como [20]:
donde n2 es el índice de refracción de la fibra óptica de 200 m, es la longitud de onda óptica del espacio libre y L1 y L2 son la longitud de la cavidad de aire y la cavidad de vidrio del EFPI, respectivamente. Las amplitudes A01, A12 y A23 de la luz reflejada dentro de la cavidad EFPI se pueden calcular como A01= r01, A12= 1·T01·r12 y A23= 2·T01·T12·r23, donde 1, 2, T01 y T12 son el coeficiente de acoplamiento de las cavidades y el coeficiente de transmisión de potencia de las interfaces vidrio/aire. Las reflectividades de la interfaz vidrio/aire r01 y la interfaz aire/vidrio r12 se pueden especificar como 0,184 y −0,182 para n0= 1,4504 [21] y n2= 1,445. La reflectividad r23 del extremo exterior del 200 m 
fibra óptica depende del índice de refracción del medio circundante y se puede calcular utilizando la ley de Fresnel como:
donde nmed es el índice de refracción del medio circundante.
2.2. Divergencia del haz gaussiano dentro de las cavidades del sensor
Como el modo fundamental de la fibra SM se puede aproximar mediante una distribución gaussiana de un campo eléctrico polarizado transversal y lineal, los coeficientes de acoplamiento de las cavidades 1 y 2 se pueden determinar aplicando la divergencia del haz gaussiano. Los coeficientes de acoplamiento se definen como [22]:
En la ecuación. (3), ω0 es el tamaño del punto del haz gaussiano en la cara final de la fibra SM y se puede calcular como:
ω0= a·(0,65 + 1,619·V−3/2+ 2,879·V−6) [22];
donde a y V son el radio del núcleo y la frecuencia normalizada de la fibra SM y se definen como a = 4,1 ω m y V = 2,16 para lafibra Corning SMF28 [21]. Además, ω1 especifica el tamaño del punto del radio del haz gaussiano después de cruzar solo la cavidad de aire del EFPI, mientras que ω2 es el tamaño del punto del radio del haz gaussiano después de cruzar la cavidad de aire y vidrio del sensor de fibra óptica multiparámetro. Ambos tamaños de punto 1 y 2 se pueden calcular como [23,24]:
Tan pronto como el haz gaussiano se propaga a través de las cavidades, su diámetro aumenta mientras que la densidad de potencia y, por lo tanto, los coeficientes de acoplamiento disminuyen y pueden asociarse con pérdidas dentro de la cavidad. Además, ambos coeficientes de acoplamiento dependen de la longitud de las cavidades.
3. Detección de índice de refracción adicional
3.1. Determinación del índice de refracción del medio circundante
El índice de refracción del medio circundante se puede obtener determinando la reflexión r23 en la cara final de la fibra de 200 m, como se indica en la ecuación. (2). En el caso del sensor de fibra óptica multiparámetro, la reflexión r23 se obtuvo calculando la relación entre la amplitud del segundo término coseno y la amplitud del primer término coseno en la Ec. (1), en lugar de determinar r23 y, por tanto, el RI del entorno directamente a partir de la amplitud del segundo o tercer coseno de la ecuación. (1). Este cálculo hace que la medición de RI obtenida sea independiente de la fluctuación de la fuente de luz y la variación de la atenuación a lo largo del enlace de fibra óptica. Por lo tanto, r23 puede determinarse como:
3.2. Sensibilidad cruzada a la presión y la temperatura aplicadas
De Eq. (5) se deduce que el rango de medición y la sensibilidad de dependen en gran medida de los coeficientes de acoplamiento 1 y 2 y, por lo tanto, de la longitud de las cavidades L1 y L2. En la Fig. 2 se visualiza la sensibilidad de a 1 y 2 para r23= 0.182 (nmed= 1). Como se ilustra en la Fig. 2, los valores máximos de se alcanzan para pequeñas L2, porque en este caso 1 y 2 son casi idénticos y por lo tanto se anulan entre sí. Sin embargo, dado que el sensor está diseñado para medir valores de alta presión, el grosor (longitud) L2 de la fibra de vidrio de sílice de 200 m debe seleccionarse adecuadamente para soportar entornos de alta presión. Además, como es sensible a las longitudes L1 y L2 de la cavidad EFPI, la presión aplicada, así como la temperatura, los cambios en la longitud de la cavidad introducen un error al medir el RI del medio circundante. Como se investigó en [17], el cambio de la longitud de la cavidad de aire del EFPI depende linealmente del cambio de la presión aplicada L1˜ P (0,054 m/MPa) y la temperatura L1˜ T (1,9·10−4 m/◦C). Además, el cambio de longitud de la cavidad de vidrio EFPI debido a la presión y temperatura aplicadas puede calcularse como 9.1·10−6L2/MPa y 5·10−7L2/◦C para vidrio de sílice [25], respectivamente. Por lo tanto, el error introducido de la medición de la visibilidad de la franja debido a la presión aplicada y la temperatura aplicada se puede estimar utilizando el siguiente análisis de error:
En la ecuación. (5) el error inducido se normaliza a escala completa (FS) de , donde FS se define para una medición de RI entre nmed= 1 y nmed= nSilica. En las Fig. 3a y 3b los resultados de la simulación de las Ecs. (5a) y (5b) se visualizan.
De la simulación en la Fig. 3 se deduce que la longitud de las cavidades de aire y vidrio del EFPI puede optimizarse para eliminar la sensibilidad cruzada de la medición de RI a la presión y la temperatura aplicadas. Como regla general, la longitud de la cavidad de aire L1 y la longitud de la cavidad de vidrio L2 deben ser >20 m y <250 m, respectivamente, para minimizar la sensibilidad cruzada a la presión y la temperatura aplicadas, así como para optimizar la sensibilidad. de .4.
4. Evaluación de la sensibilidad al índice de refracción
Para la evaluación del rendimiento del sensor al índice de refracción aplicado, se fabricó un sensor de fibra óptica multiparámetro con una longitud de onda de Bragg de 1558,54 nm, así como una cavidad de aire y vidrio EFPI de L1= 65 m y L2= 220 m. . Las longitudes de cavidad seleccionadas L1 y L2 representan una compensación en términos del rendimiento de determinar el RI del entorno en un lado y la interrogación del sensor utilizando la configuración de interrogación y el algoritmo de procesamiento de señales aplicado en el otro lado. El sensor de fibra óptica de parámetros múltiples se interrogó utilizando el sistema de interrogación como se informó anteriormente [17], que consiste en una fuente de luz de banda ancha (BBS) (INO FBS-C), un circulador óptico y un analizador de espectro óptico (Ando AQ6330). ). Además, como se describe en la Sección 3, y por lo tanto, el RI de los alrededores se determinó calculando la relación entre las amplitudes del segundo y primer cosenotérmino de la ecuación. (1). Ambas amplitudes se determinaron calculando la transformada rápida de Fourier (FFT) del espectro del sensor reflejado medido. La resolución de la FFT se optimizó aplicando una ventana de Kaiser y Zero-Padding. Para obtener diferentes valores de RI, se prepararon cinco soluciones diferentes con diferentes concentraciones de cloruro de sodio (NaCl) a diferentes temperaturas. Las diferentes concentraciones de NaCl junto con los índices de refracción correspondientes a las diferentes temperaturas se dan en la Tabla 1. Los índices de refracción se midieron utilizando el sensor de índice de refracción FRI de FISOTechnologies Inc. El rendimiento del sensor de parámetros múltiples para la medición de RI fue evaluada insertando el sensor secuencialmente en las diferentes soluciones de NaCl para cada valor de temperatura. Entre cada medición, el sensor se enjuagó cuidadosamente con agua destilada.
En la Fig. 4 se muestra la visibilidad de la franja obtenida a diferentes índices de refracción (a diferentes concentraciones de NaCl y diferentes temperaturas). Se obtuvo una respuesta lineal de la visibilidad de la franja a RI cambios entre 1.32 y 1.365. Además, la sensibilidad cruzada de la visibilidad de la franja calculada a las variaciones de temperatura en el rango de 20 ◦ C a 80 ◦ C puede despreciarse, lo cual es consistente con la simulación de la Fig. 3b. De acuerdo con la Fig. 4, se obtiene una sensibilidad de 0,58/RIU con una desviación estándar a presión atmosférica de 1,77·10−3RIU para temperaturas que oscilan entre 20°C y 80°C. A partir de la simulación se calculó una sensibilidad de 0,69/RIU. La desviación entre la sensibilidad calculada y la medida puede explicarse por una pequeña desalineación de las superficies de las fibras entre sí y, por lo tanto, una disminución de la visibilidad real de la franja. Para un intervalo de confianza del 95 %, se calcula una resolución del sensor de ±5,98·10−3RIU. La resolución del sensor se puede mejorar aún más optimizando la visibilidad marginal del sensor, como se ilustra en la Fig. 2, así como el sistema de interrogación del sensor.
5. Conclusion
En este trabajo, se presentó un sensor de temperatura y presión de fibra óptica en miniatura totalmente de sílice para medir adicionalmente el índice de refracción del medio circundante. Los experimentos verificaron que la visibilidad marginal de la cavidad de vidrio EFPI es sensible al RI del medio circundante. El sensor probado muestra una respuesta lineal de 0.58/RIU para la franja de visibilidad en el rango de RI de 1.32 a 1.365 con una desviación estándar a presión atmosférica de 1.77·10−3 y en el rango de temperatura de 20◦C a 80◦C. Además, se llevaron a cabo simulaciones en la Sección 3 para demostrar que al elegir la longitud adecuada de la cavidad de aire y vidrio de EFPI, aire y cavidad de vidrio de longitud puede eliminarse la sensibilidad cruzada de la medición de RI a las variaciones de presión y temperatura aplicadas. En consecuencia, el sensor se puede aplicar para medir presión, temperatura y RI simultáneamente. La determinación de los tres parámetros se investigará en un entorno de laboratorioen el futuro. En consecuencia, debido a la estructura totalmente de sílice y la capacidad de medir simultáneamente la presión, la temperatura y el RI, el sensor de fibra óptica multiparámetro informado en este trabajo tiene el potencial para ser desplegados en condiciones ambientales adversas, como, por ejemplo, las de monitoreo de procesos químicos o aplicaciones geotérmicas de fondo de pozo. Sin embargo, para una aplicación a largo plazo en entornos hostiles, como las aplicaciones de fondo de pozo, se deben desarrollar estrategias adecuadas para la fibra óptica principal y el empaque del sensor [26,27]. El diseño del sensor presentado puede considerarse modular. En la configuración actual, se investigó la sensibilidad al índice de refracción. Sin embargo, se pueden aplicar recubrimientos especiales en la próxima versión del sistema sensor que son sensibles a las condiciones ambientales cambiantes, como la variación de los niveles de pH o la concentración de una especie de ion específico. El sensor se puede adaptar para diferentes aplicaciones de monitoreo, donde la temperatura, la presión y los parámetros químicos deben medirse simultáneamente.
Agradecimientos 
El desarrollo del sensor múltiple fue apoyado en parte por la subvención SFI/ENEF662 de la Science Foundation Ireland y la Iniciativa Embark del IRC-SET. Este trabajo también se realizó dentro del proyecto GeoEn Fase II y fue financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (número de subvención 03G0767A), así como el proyecto Gebo ZN2481 financiado por Niedersächsisches Minis-terium für Wissenschaft und Kultur (MWK). Los autores quisieran agradecer a Cornelia Schmidt-Hattenberger, Mikaela Weiner, Christian Cunow y Tanja Ballerstedt del German Research Center for Geosciences por su apoyo durante las mediciones del índice de refracción.