ES2265223B1 - METHOD AND DEVICE FOR VIBRATION MEASUREMENT BY OPTICAL INTERFEROMETRY. - Google Patents
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Abstract
Método y dispositivo de medida de vibraciones por interferometría óptica. La presente invención está relacionada con un dispositivo y un método de medida de vibraciones por interferometría óptica. El sistema emplea un sensor interferométrico de fibra óptica, que dispuesto en contacto con la superficie objeto de medida, proporciona una señal proporcional a las vibraciones de ese elemento. La invención tiene su aplicación preferente en transformadores para la medida de las vibraciones del núcleo o los arrollamientos. Gracias a la utilización de una cabeza sensora y de un procesamiento de la señal correspondiente, la medida de vibraciones se obtiene de forma directa, con las características restrictivas de la aplicación preferente: para entorno hostil, magnitudes débiles en presencia de influencias y alta resolución (1 nm equivalente), entre otras.Method and device of vibration measurement by optical interferometry. The present invention is related to a device and a method of measuring vibrations by optical interferometry. The system employs an interferometric fiber optic sensor, which arranged in contact with the surface object of measurement, provides a signal proportional to the vibrations of that element. The invention has its preferred application in transformers for measuring core vibrations or windings. Thanks to the use of a sensor head and a corresponding signal processing, the vibration measurement is obtained directly, with the restrictive characteristics of the preferred application: for hostile environment, weak magnitudes in the presence of influences and high resolution ( 1 nm equivalent), among others.
Description
Método y dispositivo de medida de vibraciones por interferometría óptica.Vibration measurement method and device by optical interferometry.
La presente invención está relacionada con un dispositivo y un método de medida de vibraciones por interferometria óptica. El sistema emplea un sensor interferométrico de fibra óptica, que dispuesto en contacto con la superficie objeto de medida, proporciona una señal proporcional a las vibraciones de ese elemento.The present invention is related to a device and a method of measuring vibrations by interferometry optics. The system employs an interferometric fiber sensor optical, which arranged in contact with the surface object of measure, provides a signal proportional to the vibrations of that element.
La invención tiene su aplicación preferente en transformadores para la medida de las vibraciones del núcleo o los arrollamientos. La invención es de gran utilidad para el diagnóstico, para la reducción de los costes de mantenimiento, para la mejora de las prestaciones del equipo y para la extensión de su vida útil.The invention has its preferred application in transformers for measuring core vibrations or windings The invention is very useful for the diagnosis, for the reduction of maintenance costs, for the improvement of the performance of the equipment and for the extension of its useful life.
Gracias a la utilización de una cabeza sensora y de un procesamiento de la señal correspondiente, la medida de vibraciones se obtiene de forma directa, con las características restrictivas de la aplicación preferente: para entorno hostil, magnitudes débiles en presencia de influencias y alta resolución (1 nm equivalente), entre otras.Thanks to the use of a sensor head and of a corresponding signal processing, the measure of vibrations are obtained directly, with the characteristics restrictive of the preferred application: for hostile environment, weak magnitudes in the presence of influences and high resolution (1 nm equivalent), among others.
Son conocidos sensores para medir vibraciones basados en efectos electromecánicos, piezorresistivos y, fundamentalmente, piezoeléctricos. Sin embargo estos sensores no presentan una respuesta adecuada ante señales de baja frecuencia y/o señales débiles, y/o trabajan defectuosamente en ambientes con campos electromagnéticos, condiciones éstas que se dan en el interior de los transformadores.Sensors for measuring vibrations are known based on electromechanical, piezoresistive and, fundamentally piezoelectric. However these sensors do not have an adequate response to low frequency signals and / or weak signals, and / or work defectively in environments with electromagnetic fields, these conditions that occur in the interior of the transformers.
Por otro lado, el buen funcionamiento de los transformadores está ligado a varias magnitudes internas no eléctricas, y es observable a través de las mismas. Entre estas magnitudes se incluyen las vibraciones de los elementos constitutivos del bloque, el núcleo y los arrollamientos. Para realizar un diagnostico del transformador, en especial un diagnóstico predictivo sin descargo, y para analizar su funcionamiento en su vida útil y ante diferentes demandas, es necesario obtener medidas de dichas magnitudes en el interior del transformador. Puesto que buena parte de estas medidas internas son inaccesibles, es necesario valerse por ello de medidas indirectas y estimación.On the other hand, the proper functioning of transformers is linked to several internal quantities not electrical, and is observable through them. Between these magnitudes include the vibrations of the elements constitutive of the block, the core and the windings. For make a diagnosis of the transformer, especially a predictive diagnosis without discharge, and to analyze your operation in its useful life and before different demands, it is it is necessary to obtain measurements of these magnitudes inside the transformer. Since many of these internal measures are inaccessible, it is necessary to use indirect measures and estimate.
Es por lo tanto deseable disponer de una medida directa mediante la cual obtener mejor información del estado real del transformador.It is therefore desirable to have a measure direct through which to obtain better information of the real state of the transformer
Las condiciones en el interior del transformador identifican un entorno hostil de medida, motivo por el que los sensores están sujetos a fuertes requisitos. Las características más significativas que deben cumplir implican soportar la inmersión en aceite y no modificar la composición de éste, ser inmunes a campos electromagnéticos (EMI), no degradarse a las altas temperaturas alcanzadas (150ºC) y ser de material aislante. A estas restricciones deben añadirse la necesidad de accesos estancos al interior y posibilidad de recorrido de los cables de transmisión hasta la región de interés, respetando el aislamiento eléctrico y con inmunidad EMI. Finalmente, el amplio rango de temperatura supone una dificultad añadida para obtener medidas fiables de otras magnitudes como las vibraciones. Asimismo, la medida de magnitudes débiles en presencia de otras no deseadas constituye otra dificultad técnica.The conditions inside the transformer identify a hostile measurement environment, which is why sensors are subject to strong requirements. The most features meaningful that they must comply with involves supporting immersion in oil and not modify its composition, be immune to fields Electromagnetic (EMI), do not degrade at high temperatures reached (150ºC) and be of insulating material. To these restrictions the need for watertight access to the interior and possibility of route of the transmission cables to the region of interest, respecting the electrical insulation and with EMI immunity. Finally, the wide temperature range assumes an added difficulty in obtaining reliable measurements from others Magnitudes such as vibrations. Also, the measure of magnitudes weak in the presence of other unwanted constitutes another difficulty technique.
No se conoce en el estado de la técnica un sistema con capacidad para medir vibraciones en el interior del transformador. En primer lugar, las soluciones electrónicas no son aplicables al problema, debido al entorno de medida. Asimismo, carecen de la sensibilidad necesaria, y es dudosa la fiabilidad de sus resultados frente a magnitudes de influencia (temperatura, campos electromagnéticos y vibraciones inducidas).It is not known in the state of the art a system capable of measuring vibrations inside the transformer. First, electronic solutions are not applicable to the problem, due to the measurement environment. Likewise, they lack the necessary sensitivity, and the reliability of its results against magnitudes of influence (temperature, electromagnetic fields and induced vibrations).
La invención está relacionada con un dispositivo de medida de vibraciones basado en un sensor interferométrico de fibra óptica, preferentemente para la medida de vibraciones del núcleo y de los arrollamientos en el interior de transformadores de potencia.The invention is related to a device of vibration measurement based on an interferometric sensor of optical fiber, preferably for measuring vibrations of the core and windings inside transformers of power.
No obstante, su capacidad de aplicación práctica se extiende por generalización a problemas de medida de vibraciones en cualquier entorno hostil equivalente o más favorable, de magnitudes dinámicas con sincronismo y por contacto (deformación y desplazamiento relativo armónicos referidos a una excitación), y tanto de magnitudes de muy baja amplitud (alta sensibilidad) hasta otras de mayor recorrido (amplio rango).However, its practical application capacity extends by generalization to vibration measurement problems in any equivalent or more favorable hostile environment, of dynamic quantities with synchronism and contact (deformation and harmonic relative displacement referred to an excitation), and both of magnitudes of very low amplitude (high sensitivity) up to others with greater travel (wide range).
El sensor interferométrico proporciona medidas precisas y fiables en el interior de transformadores que de otro modo son imposibles de obtener, y que son de gran utilidad para el diagnóstico y predicción de averías, y consecuentemente para la reducción de costes de mantenimiento, mejora de las prestaciones del equipo y extensión de su vida útil.The interferometric sensor provides measurements precise and reliable inside transformers than other They are impossible to obtain, and they are very useful for diagnosis and prediction of failures, and consequently for the reduction of maintenance costs, improvement of the performance of the equipment and extension of its useful life.
Las ventajas inherentes de los sensores de fibra óptica son amplias: El material es inerte, pasivo y no degradable; Es inmune a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia, y soporta grandes campos; Resisten temperaturas muy altas y en un amplio rango; Es un aislante eléctrico; Mecánicamente es fina, flexible, ligera, resistente y no intrusiva. Asimismo, es un adecuado medio de transmisión de la medida, pero también sirve de elemento sensor de forma directa (transducción intrínseca en la luz).The inherent advantages of fiber sensors Optics are wide: The material is inert, passive and not degradable; It is immune to electromagnetic and radio frequency interference, and supports large fields; They resist very high temperatures and in a wide range; It is an electrical insulator; Mechanically it is fine, Flexible, lightweight, resistant and non-intrusive. It is also a adequate means of transmission of the measure, but also serves as sensor element directly (intrinsic transduction in the light).
En el sensor interferométrico de fibra óptica la transducción de la magnitud de interés se produce en la propia fibra óptica. Se detecta el cambio de longitud recorrida por la luz o camino óptico, para lo cual se utiliza un esquema de interferencia. Al comparar el camino sensor con uno de referencia, se obtiene la diferencia como desfase óptico entre la luz que atraviesa cada uno de ellos. La relación entre este desfase y la magnitud de medida es también una constante (lineal). Por otro lado, presenta la ventaja de que el desfase originado en el tramo sensor es proporcional a la longitud de este último, por lo que la sensibilidad aumenta con la cantidad de fibra expuesta. Conjugando el aumento de sensibilidad con una adecuada resolución del desfase detectado, es posible distinguir variaciones menores que 1 nm de forma práctica.In the fiber optic interferometric sensor the transduction of the magnitude of interest occurs in the own optical fiber. The change in length traveled by the light is detected or optical path, for which a scheme of interference. When comparing the sensor path with a reference path, the difference is obtained as an optical offset between the light that go through each one of them. The relationship between this offset and the Measurement magnitude is also a constant (linear). For another On the other hand, it has the advantage that the lag originated in the section sensor is proportional to the length of the latter, so the sensitivity increases with the amount of fiber exposed. Conjugating increased sensitivity with adequate offset resolution detected, it is possible to distinguish variations less than 1 nm from practical way.
El desfase óptico se obtiene a partir de la intensidad luminosa de la interferencia (ha de utilizarse un esquema de interferencia). Esta intensidad luminosa de la interferencia sí se puede detectar optoelectrónicamente (foto-detectores) dando lugar a una señal electrónica proporcional al desfase. Sin embargo, la función de transferencia que relaciona el desfase óptico y la intensidad detectada es un coseno alzado. Dada esta función de transferencia periódica, los valores de intensidad se repiten cada equivalente a una longitud de onda (\lambda), por ejemplo 633 nm en un láser He-Ne en el visible, lo que da idea de la alta sensibilidad. Ahora bien, la resolución en la medida está determinada por el procesamiento que se realice para extraer la fase de la señal resultante de esta transferencia no lineal.The optical offset is obtained from the light intensity of interference (a scheme must be used of interference). This light intensity of interference yes can be detected optoelectronically (photo detectors) giving rise to a signal electronic proportional to the offset. However, the function of transfer that relates the optical offset and intensity detected is a raised cosine. Given this transfer function periodically, the intensity values are repeated every equivalent to a wavelength (λ), for example 633 nm in a laser He-Ne in the visible, which gives an idea of the high sensitivity. Now the resolution in the measure is determined by the processing performed to extract the phase of the signal resulting from this nonlinear transfer.
El sensor optoelectrónico de la invención resuelve la medida de vibraciones en un entorno electromagnéticamente agresivo, inmersión estanca en aceite y con un margen de variación de temperatura considerable. Asimismo hace especial hincapié en dar respuesta a la medida de magnitudes que son muy débiles y expuestas a parámetros de influencia.The optoelectronic sensor of the invention resolves the measurement of vibrations in an environment Electromagnetically aggressive, waterproof immersion in oil and with a considerable temperature variation margin. Also does special emphasis on responding to the extent of magnitudes that are very weak and exposed to influence parameters.
En primer lugar, la técnica por interferometría óptica (por comparación del camino recorrido por dos ondas luminosas a través de su interferencia) ofrece alta sensibilidad para la medida de magnitudes débiles y dinámicas, como es el caso del tipo de vibraciones objeto de la medida, detectadas por contacto y a través de la deformación o desplazamiento relativo origen de las mismas. En particular, la técnica de medida interferométrica basada en transducción intrínseca sobre la fibra óptica (deformación o elongación de la misma) proporciona el grado de sensibilidad necesario para la medida de vibraciones de baja amplitud y en las condiciones anteriormente especificadas.First, the interferometry technique optics (by comparison of the path traveled by two waves bright through its interference) offers high sensitivity for measuring weak and dynamic quantities, as is the case of the type of vibration object of the measurement, detected by contact and through deformation or relative displacement origin of the same. In particular, the interferometric measurement technique based on intrinsic fiber optic transduction (deformation or elongation thereof) provides the degree of Sensitivity needed to measure low vibrations amplitude and under the conditions specified above.
En segundo lugar, la técnica multi-franja se compone, por un lado, de forzar la obtención de una respuesta multi-período por cada semi-período de excitación (de vibración) a través de la respuesta no lineal (cosenoidal) de la interferencia óptica, por otro lado, del sincronismo de dicha respuesta con la tensión de red, y finalmente, de los bloques electrónicos de procesamiento necesarios para su demodulación y obtención de una respuesta lineal a las vibraciones, donde las magnitudes de influencia han sido atenuadas y separadas de la banda de frecuencias de interés.Second, the technique multi-strip consists, on the one hand, of forcing the Obtain a multi-period response for each semi-period of excitation (vibration) through of the nonlinear (cosenoidal) response of optical interference, on the other hand, of the synchronism of said response with the tension of network, and finally, of the electronic processing blocks necessary for demodulation and obtaining a linear response to the vibrations, where the magnitudes of influence have been attenuated and separated from the frequency band of interest.
En tercer lugar, la manera de forzar una respuesta multi-período (multi-franja) se compone de aumentar la sensibilidad a la magnitud objeto de medida mediante el diseño de la cabeza sensora. De este aumento selectivo de la sensibilidad (magnificación) se desprende una atenuación relativa de las magnitudes de influencia, así como una respuesta (multi-franja) útil para su procesamiento. El aumento de sensibilidad localizado comprende la realización de la cabeza sensora con varios segmentos de una misma fibra óptica continua, expuestos a la misma excitación (vibración o deformación dinámica) por su disposición yuxtapuesta, y con acabado compacto y robusto.Third, the way to force a multi-period response (multi-strip) consists of increasing the sensitivity to the magnitude measured by the design of the sensor head From this selective increase in sensitivity (magnification) shows a relative attenuation of the magnitudes of influence as well as an answer (multi-strip) useful for processing. He localized sensitivity increase includes performing the sensor head with several segments of the same optical fiber continuous, exposed to the same excitation (vibration or deformation dynamic) because of its juxtaposed layout, and with a compact finish and strong.
Por último, el sistema de procesamiento se encarga de obtener una salida lineal con las vibraciones a partir de la señal multi-franja. Es necesario invertir la relación cosenoidal que hay entre la excitación y la respuesta. Por ello, al forzar una respuesta multi-franja se consigue disponer de las cotas extremas para una normalización, cuyo resultado ya puede utilizarse para obtener el argumento mediante la función arco-coseno y una referencia de sincronismo.Finally, the processing system is responsible for obtaining a linear output with vibrations from of the multi-band signal. It is necessary to reverse the cosenoidal relationship between arousal and response. By this, by forcing a multi-strip response, it manages to have the extreme levels for a normalization, whose result can already be used to get the argument using the arc-cosine function and a reference of synchronism.
Por lo tanto un aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de medida de vibraciones por interferometría óptica, que fundamentalmente comprende una cabeza sensora de fibra óptica con aumento de sensibilidad, que proporciona una respuesta multi-período por cada semi-período de la vibración, haciendo práctica la medida proporcional a las vibraciones, y el procesamiento necesario para ello a partir de la señal resultante de la interferencia. El tipo de interferencia referida comprende una fuente emisora láser que genera un haz láser, un tramo de fibra óptica de referencia que es recorrida por dicho haz láser, y al menos un tramo de fibra óptica de medida recorrido cada uno de ellos por dicho haz láser. Cada tramo de fibra óptica de medida dispone de una cabeza sensora, la cual está en contacto con la región en la que se desea medir las vibraciones, de modo que las vibraciones en esa región de medida modifican dinámicamente dicha cabeza sensora.Therefore one aspect of the invention is refers to a vibration measuring device by optical interferometry, which basically comprises a head fiber optic sensor with increased sensitivity, which provides a multi-period response for each semi-period of vibration, making practice the measure proportional to the vibrations, and the necessary processing for this from the signal resulting from the interference. He referred interference type comprises a laser emitting source which generates a laser beam, a section of reference fiber optic that it is traversed by said laser beam, and at least a stretch of fiber measurement optics traversed each of them by said laser beam. Each section of fiber optic measurement has a sensor head, which is in contact with the region where you want to measure the vibrations, so that the vibrations in that measurement region dynamically modify said sensor head.
El dispositivo comprende además medios de división y acoplo, destinados a conducir el haz láser por los diferentes brazos de fibra óptica, y medios de recombinación o mezclado de cada haz láser de medida con el haz láser de referencia. Dichos medios de división, acoplo, colimado y recombinación comprenden láminas separadoras y lentes en una realización preferente, o bien otros destinados al mismo fin de obtener la interferencia. El resultado de la recombinación óptica es detectado sobre elementos foto-detectores.The device further comprises means of division and coupling, intended to drive the laser beam by different fiber optic arms, and recombination means or mixing each laser beam with the laser beam of reference. Said means of division, coupling, collimating and recombination comprise separator sheets and lenses in a preferred embodiment, or others intended for the same purpose of Get the interference. The result of optical recombination It is detected on photo-detector elements.
La anteriormente referida cabeza sensora consiste en un bobinado de al menos dos espiras paralelas de la misma fibra óptica que forma segmentos de transducción. Esta sonda de fibra óptica aumenta de sensibilidad (magnificación) de la medida a través de la longitud de su tramo sensor expuesto, y presenta un diseño compacto. El diseño de la cabeza sensora, además de proporcionar sensibilidad, proporciona una respuesta multi-franja, y el enmascaramiento de magnitudes de influencia al aumento de sensibilidad selectivo y localizado en la transducción por contacto, y la demodulación con respuesta lineal a la inversión de la función de transferencia no lineal (coseno) con elementos de sincronización (referencia de sincronismo tomada de la tensión de excitación). En conjunto, permiten medidas de vibraciones sin perturbaciones del entorno, las cuales no detecta ningún otro sensor del estado de la técnica en estas condiciones de aplicación.The previously referred sensor head consists of a winding of at least two parallel turns of the same optical fiber that forms transduction segments. This probe fiber optic increases sensitivity (magnification) of the measured across the length of its exposed sensor section, and It presents a compact design. The design of the sensor head, in addition of providing sensitivity, provides an answer multi-strip, and masking magnitudes of influence to the increase of selective and localized sensitivity in the contact transduction, and demodulation with linear response to the reversal of the nonlinear transfer (cosine) function with synchronization elements (synchronism reference taken from the excitation voltage). Together, they allow measures of vibrations without environmental disturbances, which it does not detect no other state of the art sensor under these conditions of application.
El dispositivo objeto de la invención preferentemente se emplea para medir las vibraciones en una de las partes de un transformador de potencia, tal y como puede ser su núcleo o sus arrollamientos.The device object of the invention preferably it is used to measure the vibrations in one of the parts of a power transformer, as can be its core or its windings.
La presente invención garantiza que las medidas obtenidas en el interior del transformador son completamente fiables, y por lo tanto supera notablemente a los sistemas convencionales de medida de vibraciones.The present invention guarantees that the measures obtained inside the transformer are completely reliable, and therefore significantly exceeds systems Conventional vibration measurement.
Algunos de los aspectos en los que se superan las técnicas convencionales son los siguientes:Some of the aspects in which they are overcome Conventional techniques are as follows:
- \bullet?
- Inmunidad y aislamiento: uso de fibra óptica.Immunity and isolation: use of optical fiber.
- \bullet?
- Resolución: error menor que 1 nm / 250 nm frente a 50 nm / 250 nm (100 Hz).Resolution: error less than 1 nm / 250 nm versus 50 nm / 250 nm (100 Hz).
- \bullet?
- Linealidad: mejor que 1% frente a 10% (100 Hz).Linearity: better than 1% versus at 10% (100 Hz).
- \bullet?
- Información en los armónicos: error menor que 0.12% frente a 1.2% (100 Hz), y mejor que 1,2% frente a 20% (resto de frecuencias de interés).Information on harmonics: error less than 0.12% versus 1.2% (100 Hz), and better than 1.2% compared to 20% (other frequencies of interest).
- \bullet?
- Discriminación entre vibraciones del elemento monitorizado y las de bloque: relación 100/1 frente a 1/1.Discrimination between vibrations of the monitored element and block elements: 100/1 ratio versus 1/1
Resulta un sistema robusto y fiable, comprobados en la repetitividad de resultados en condiciones diferentes de influencia externa. Para ello son determinantes la certidumbre de la señal multi-franja y el procesamiento de fase de alta resolución.It is a robust and reliable system, proven in the repetitiveness of results under different conditions of external influence To this end, the certainty of the multi-band signal and phase processing high resolution.
Otro aspecto de la invención se refiere a un método de medida de vibraciones por interferometría óptica que comprende generar un haz láser e introducirlo por una fibra óptica de referencia, introducirlo también por al menos una fibra óptica de medida, y poner en contacto parte de cada una de dichas fibras ópticas de medida, con una región de medida en la que se desea medir las vibraciones, de modo que dichas vibraciones modifiquen el camino óptico que debe recorrer dicho haz láser. En el método se compara el camino óptico de medida con el camino óptico de referencia y por interferometría se obtiene la diferencia como desfase óptico.Another aspect of the invention relates to a vibration measurement method by optical interferometry that it comprises generating a laser beam and introducing it through an optical fiber reference, also introduce it by at least one optical fiber measurement, and contacting part of each of said fibers measurement optics, with a measurement region in which it is desired measure the vibrations, so that these vibrations modify the optical path that said laser beam must travel. In the method you compare the optical path of measurement with the optical path of reference and by interferometry you get the difference as optical offset
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as an integral part of said description, a set of drawings where with character Illustrative and not limiting, the following has been represented:
Figura 1.- Muestra esquemáticamente la operación de un sensor interferométrico de fibra óptica.Figure 1.- Schematically shows the operation of an interferometric fiber optic sensor.
Figura 2.- Muestra la función de transferencia en el esquema de interferenciaFigure 2.- Shows the transfer function in the interference scheme
Figura 3.- Muestra el esquema del dispositivo optoelectrónico de interferencia y fotodetección.Figure 3.- Shows the scheme of the device Optoelectronic interference and photodetection.
Figura 4.- Muestra una vista en alzado y planta de la cabeza sensora de fibra óptica.Figure 4.- Shows an elevation and plan view of the fiber optic sensor head.
Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva de la cabeza sensora de fibra óptica.Figure 5.- Shows a perspective view of The fiber optic sensor head.
Figura 6.- Muestra un diagrama del método de procesamiento de la señal y extracción de la medida.Figure 6.- Shows a diagram of the method of signal processing and measurement extraction.
A la vista de la figura 1 puede observarse como el elemento sensor interferométrico de fibra óptica (1) que se preconiza se dispone en contacto con el cuerpo (2) del que se quiere medir la deformación o, en la realización preferente de la invención, las vibraciones (5) del propio cuerpo objeto de medida (2). En el sensor interferométrico de fibra óptica (1) la transducción de la magnitud de interés se produce en la propia fibra óptica sensora (3). El cambio de longitud (\Deltax) recorrida por la luz (camino óptico) es detectado por el esquema de interferencia; para ello se emplea una fibra óptica auxiliar de referencia (4). Al comparar el camino sensor con el de referencia se obtiene la diferencia como desfase óptico entre la luz que atraviesa cada uno de ellos. La relación entre el desfase (\Delta\phi) y la magnitud de medida (\Deltax) es una constante (lineal).In view of Figure 1 it can be seen as the interferometric fiber optic sensor element (1) that is advocates are in contact with the body (2) of which you want measure the deformation or, in the preferred embodiment of the invention, the vibrations (5) of the body itself measured (2). In the fiber optic interferometric sensor (1) the transduction of the magnitude of interest occurs in the fiber itself sensor optics (3). The change in length (Δx) traveled by the light (optical path) is detected by the scheme of interference; For this, an auxiliary optical fiber is used reference (4). When comparing the sensor path with the reference path the difference is obtained as an optical offset between the light that go through each one of them. The relationship between the offset (\ Delta \ phi) and the magnitude of measurement (\ Deltax) is a constant (linear).
Una ventaja del elemento sensor radica en que el desfase originado en el tramo sensor (1) es proporcional a la longitud de este último, por lo que la sensibilidad (\Delta\phi/\Deltax) aumenta con la cantidad de fibra expuesta.An advantage of the sensor element is that the offset originated in the sensor section (1) is proportional to the length of the latter, so the sensitivity (\ Delta \ phi / \ Deltax) increases with the amount of fiber exposed.
\Delta\phi = K \cdot \frac{\Delta x}{\lambda}\ Delta \ phi = K \ cdot \ frac {\ Delta x} {\ lambda}
Esta característica posibilita la detección de variaciones (\Deltax) menores de 1 nm.This feature enables the detection of variations (Δx) less than 1 nm.
En la figura 2 se ilustra la función de transferencia del esquema de interferencia. El desfase óptico se obtiene a partir de la intensidad luminosa de la interferencia (mediante un esquema de interferencia), que puede ser detectada optoelectrónicamente. La función de transferencia es en coseno alzado, como se presenta en la figura 2. Dada esta función de transferencia periódica, los valores de intensidad se repiten cada equivalente a una longitud de onda (\lambda), por ejemplo 633 nm en un láser He-Ne en el visible.Figure 2 illustrates the function of interference scheme transfer. The optical offset is obtains from the light intensity of the interference (through an interference scheme), which can be detected optoelectronically. The transfer function is in cosine elevation, as presented in figure 2. Given this function of periodic transfer, the intensity values are repeated every equivalent to a wavelength (λ), for example 633 nm in a He-Ne laser in the visible.
La resolución en la medida está determinada por el procesamiento para extraer la fase de esta señal.The resolution in the measure is determined by the processing to extract the phase of this signal.
Aunque la realización preferente de la invención se centra en el dispositivo y el método de medida de vibraciones en transformadores, la aplicación práctica del dispositivo sensor interferométrico se extiende a otras situaciones de medida en ambiente hostil equivalente o más favorable de magnitudes dinámicas con sincronismo y por contacto (por deformación y desplazamiento relativo de armónicos referidos a una excitación), y tanto de magnitudes de muy baja amplitud (alta sensibilidad) hasta otras de mayor recorrido (amplio rango).Although the preferred embodiment of the invention It focuses on the device and the vibration measurement method in transformers, the practical application of the sensor device interferometric extends to other measurement situations in equivalent or more favorable hostile environment of dynamic quantities with synchronism and contact (by deformation and displacement relative of harmonics referred to an excitation), and both of magnitudes of very low amplitude (high sensitivity) to others of Longest tour (wide range).
El dispositivo de medida por interferometría según una realización preferente representada en la figura 3 es un interferómetro de Mach-Zehnder con brazos de fibra óptica (1 brazo de referencia común y 2 o más brazos de medida). Entre los elementos que la forman hay una fuente láser (6), que en una realización preferida es de He-Ne de 633 nm de longitud de onda en el visible. Otro elemento es el bloque de división y acoplo del haz láser (7) en dos o más haces (división en amplitud) que van a recorrer distintos caminos de fibra óptica. Este bloque de división (7) consta de láminas separadoras (8) para dividir un haz en dos; y de la óptica de acoplo (lentes) (9) para introducir el haz en una fibra óptica.The interferometry measuring device according to a preferred embodiment represented in figure 3 is a Mach-Zehnder interferometer with fiber arms optics (1 common reference arm and 2 or more measuring arms). Among the elements that form it there is a laser source (6), which in a preferred embodiment is 633 nm He-Ne of wavelength in the visible. Another element is the block of division and coupling of the laser beam (7) into two or more beams (division into amplitude) that will go through different fiber optic paths. This division block (7) consists of separator sheets (8) for divide a beam into two; and the coupling optics (lenses) (9) to Insert the beam into an optical fiber.
En la figura 3 se muestra la división del haz láser en dos, uno acoplado a la fibra óptica de referencia (10) y otro subdividido para acoplarlo a otras dos fibras ópticas más para el caso de dos sondas de medida (11, 12). La fibra óptica de referencia (10) no se encuentra expuesta y constituye un recorrido de referencia con el que se compara cada uno de los caminos sensores (medida diferencial). La fibra óptica de medida (11, 12) consta de tramos de acceso de ida y vuelta y de una cabeza sensora (13) adherida al interior del transformador por medios de fijación. En la figura 3 se muestra una realización en la que hay dos fibras ópticas de medida para sendas sondas y puntos de medida distintos.Figure 3 shows the beam split laser in two, one coupled to the reference fiber optic (10) and another subdivided to couple it to two other optical fibers to the case of two measuring probes (11, 12). Fiber optic reference (10) is not exposed and constitutes a route reference with which each of the paths is compared sensors (differential measurement). Fiber optic measurement (11, 12) It consists of round-trip access sections and a sensor head (13) adhered to the interior of the transformer by fixing means. An embodiment in which there are two fibers is shown in Figure 3 measuring optics for two probes and measuring points different.
Dentro del campo de la presente invención también se contemplan las configuraciones en las que hay un solo punto de medida o donde se insertan un mayor número de sensores. Cada cabeza sensora (13) se fija sobre la región de medida.Within the scope of the present invention configurations in which there is only one are also contemplated measurement point or where a greater number of sensors are inserted. Each sensor head (13) is fixed on the measuring region.
Siguiendo con la descripción del dispositivo de medida observamos en la figura 3 el bloque de recombinación o mezclado (14), donde se recombinan dos haces para obtener su interferencia. Este bloque consta de la óptica de colimado (lentes) (9) para obtener haces paralelos y de baja divergencia; consta de láminas separadoras (combinadoras) (8) para mezclar haces dos a dos; y de dos fotodetectores (15) de la mezcla o haz resultado de la interferencia de dos haces. En la figura 3 se muestra la división en dos del haz procedente de la fibra de referencia. Cada uno de estos haces resultantes se recombina con uno procedente de una fibra óptica sensora. Cada haz resultado de la interferencia (dos en la realización de la figura 3) se convierte en señal electrónica con un fotodetector (15). La separación de luz para la entrada y la recombinación de los haces a la salida se realizan en una unidad remota donde se encuentra el montaje optoelectrónico (17).Continuing with the device description of measure we see in figure 3 the recombination block or mixed (14), where two beams are recombined to obtain their interference. This block consists of collimating optics (lenses) (9) to obtain parallel and low divergence beams; consists of separator sheets (mixers) (8) for mixing two to two two; and of two photodetectors (15) of the mixture or result of the interference of two beams. Figure 3 shows the division in two of the beam from the reference fiber. Each one of these resulting beams recombine with one from a fiber sensor optics Each beam resulted from the interference (two in the embodiment of figure 3) becomes electronic signal with a photodetector (15). The separation of light for the entrance and the recombination of the beams at the exit are performed in a unit remote where the optoelectronic assembly is located (17).
La insensibilización a perturbaciones se realiza mediante un aislamiento de los cables de acceso a la región de medida y con una implementación robusta de los elementos optomecánicos de alineamiento e interferencia. El montaje se aísla de vibraciones del entorno mediante una mesa óptica (18). Los espejos (16) pueden omitirse, y en esta realización sirven para el redireccionamiento de los haces obteniendo un esquema estructurado.The numbness to disturbances is carried out by insulating the access cables to the region of measure and with a robust implementation of the elements Optomechanical alignment and interference. The mount is isolated of vibrations of the environment through an optical table (18). The mirrors (16) can be omitted, and in this embodiment they serve for redirection of the beams obtaining a scheme structured.
Adicionalmente se puede utilizar un sistema de control de la polarización de la fibra ajustable en la calibración para compensar la pérdida de visibilidad o pérdida de amplitud de la señal de interferencia.Additionally, a system of fiber polarization control adjustable in calibration to compensate for the loss of visibility or loss of amplitude of the interference signal
La sonda de medida está formada por fibra mono-modo en la longitud de onda elegida (633 nm en el visible en la realización preferida con láser He-Ne). El recubrimiento de protección es básico (250 \mum de diámetro) para la cabeza sensora (13). Éste puede ser distinto en los brazos de acceso para permitir aislamiento térmico a alta temperatura (150ºC), por ejemplo mediante teflón o retráctil térmico curado. En la figura 4 se representan dos vistas de la cabeza sensora (13). Se utilizan varios segmentos sensores en paralelo (19) que pertenecen a una misma fibra óptica (11) continua. Para ello se bobina en varias espiras (20). La sensibilidad, proporcional a la longitud de fibra expuesta, aumenta por el factor del número de segmentos empleados (factor de magnificación sobre la sensibilidad en la longitud base de un segmento sensor). La disposición paralela de los tramos sensores en contacto (21) permite una medida localizada de la misma deformación para todos los segmentos. En la tabla I se recogen las dimensiones más importantes en una realización preferente del dispositivo sensor.The measuring probe is made of fiber mono-mode at the chosen wavelength (633 nm in visible in the preferred embodiment with laser He-Ne) The protective coating is basic (250 µm in diameter) for the sensor head (13). This one can be different in the access arms to allow isolation high temperature thermal (150ºC), for example by Teflon or Cured thermal shrink. Figure 4 shows two views of the sensing head (13). Several sensor segments are used in parallel (19) belonging to the same optical fiber (11) keep going. For this, it is wound in several turns (20). The sensitivity, proportional to the exposed fiber length, increases by the factor of the number of segments used (factor of magnification on the sensitivity in the base length of a sensor segment). The parallel arrangement of the sensor sections in contact (21) allows a localized measurement of the same deformation For all segments. Table I shows the dimensions most important in a preferred embodiment of the device sensor.
El diámetro de la fibra óptica con primera protección es del orden de 250 \mum y el peso por metro despreciable. De este modo el uso de una longitud considerable de fibra óptica para la cabeza sensora no reporta carácter intrusivo. El diseño base de la cabeza sensora presenta en la realización preferente un tramo de 30 mm en disposición lineal que permite arrollar espiras con un diámetro adecuado, con una magnificación de x30. La utilización de varias espiras aporta al mismo tiempo consistencia mecánica a la cabeza sensora. La curvatura de la fibra óptica en los extremos para formar una espira (135 mm de longitud) es adecuada para no sufrir pérdidas significativas de la luz guiada y para no superar el límite mecánico de curvatura de la fibra óptica. Los segmentos pueden fijarse completamente en contacto con una superficie para detectar deformación de la misma en dirección axial de los segmentos (por ejemplo, deformación dinámica de las láminas del núcleo), o pueden fijarse en sus extremos para detectar desplazamiento relativo de los mismos (por ejemplo, desplazamiento entre galletas de los arrollamientos).The fiber optic diameter with first protection is of the order of 250 µm and the weight per meter negligible. Thus the use of a considerable length of Optical fiber for the sensor head does not report intrusive character. The base design of the sensor head presents in the embodiment preferably a 30 mm section in linear arrangement that allows winding turns with a suitable diameter, with a magnification of x30 The use of several turns brings at the same time mechanical consistency to the sensor head. Fiber curvature optics at the ends to form a spiral (135 mm in length) It is suitable not to suffer significant losses of guided light and not to exceed the mechanical limit of fiber curvature optics. The segments can be fixed completely in contact with a surface to detect deformation thereof in the direction axial segments (for example, dynamic deformation of core sheets), or they can be fixed at their ends to detect relative displacement thereof (for example, displacement between cookies of the windings).
En la figura 5 se muestra la cabeza sensora (13) y la fijación (22) de la misma en el punto de medida para el caso de estar completamente en contacto. Los tramos en contacto (21) se adosan formando un conjunto que transforma las vibraciones del cuerpo del transformador en un desplazamiento de la fase de la señal de la fibra óptica. La longitud de la fibra óptica de acceso (11) puede variar, permitiendo en la práctica una operación remota. Dada la baja atenuación de la fibra óptica y dada la independencia de la medida frente a la atenuación (puesto que la información de medida está portada en la fase óptica) la longitud de cada tramo de acceso puede alcanzar más de 100 m. Es recomendable cierta protección frente a perturbaciones del medio, ya que la fibra óptica integra la medida en toda su longitud, incluidos los accesos. Una posibilidad es el uso de caminos comunes de acceso en el par referencia-sensor como esquema de compensación diferencial.Figure 5 shows the sensor head (13) and fixing (22) thereof at the measurement point for the case of being completely in touch. The sections in contact (21) are they form a set that transforms the vibrations of the transformer body in a signal phase shift Fiber optic The length of the fiber optic access (11) It may vary, allowing a remote operation in practice. Dadaist the low attenuation of the optical fiber and given the independence of the measurement versus attenuation (since measurement information is covered in the optical phase) the length of each access section It can reach more than 100 m. Some protection is recommended against environmental disturbances, since the optical fiber integrates the measure in all its length, including the accesses. A possibility is the use of common access roads in par sensor-reference as compensation scheme differential.
Por lo tanto la instalación en el interior del transformador hace referencia a los procedimientos de pretensión de la sonda, fijación según tipo de transducción (deformación superficial o elongación por desplazamiento relativo), acceso estanco a través de pasamuros y protecciones de recubrimiento, recorrido y compensación (medida diferencial con referencia común).Therefore the installation inside the transformer refers to the claim procedures of the probe, fixation according to type of transduction (deformation superficial or elongation by relative displacement), access waterproof through pasamuros and coating protections, travel and compensation (differential measurement with reference common).
Un método para medida (adquisición y procesamiento) de las vibraciones por interferometría óptica según la presente invención, la señal en el fotodetector se estima en esencia como el coseno de la elongación relativa sufrida por los segmentos expuestos de la cabeza sensora (13), la cual denominaremos señal interferométrica. El aumento de la sensibilidad de la cabeza sensora (13) hace que esta señal sea de varios periodos por cada semiperiodo de elongación dinámica armónica, por lo que la llamamos señal interferométrica multifranja. La explicación es que la elongación sufrida por el conjunto de segmentos en cada semiperiodo de la vibración supera al menos una longitud de onda. Y sin embargo, para argumentar el aumento de sensibilidad, la elongación o contracción de un segmento base es la correspondiente a la elongación o contracción equivalente detectada, dividida entre el número de segmentos paralelos, cuyo estímulo es común (factor de magnificación).A method for measurement (acquisition and processing) of vibrations by optical interferometry according to the present invention, the signal in the photodetector is estimated at essence like the cosine of the relative elongation suffered by the exposed segments of the sensing head (13), which we will call interferometric signal Increased sensitivity of the head sensor (13) causes this signal to be several periods for each semi-period of harmonic dynamic elongation, so we call it multi-orange interferometric signal. The explanation is that the elongation suffered by the set of segments in each half period of the vibration exceeds at least one wavelength. And without However, to argue for increased sensitivity, elongation or contraction of a base segment is that corresponding to the elongation or equivalent contraction detected, divided by number of parallel segments, whose stimulus is common (factor of magnification)
Al procesar la señal se busca obtener el argumento de la señal cosenoidal a partir de la señal multifranja, es decir, obtener la medida de la elongación dinámica de la fibra óptica, directamente relacionada con la vibración. Este argumento supera 2\pi rad (multifranja o multiperíodo), por lo que la inversión de la función coseno debe ir acompañada de un procedimiento de cuenta y acumulación del argumento correspondiente a unidades de semiperiodos.When processing the signal it is sought to obtain the argument of the cosenoidal signal from the multi-orange signal, that is, obtain the measure of the dynamic elongation of the fiber optics, directly related to vibration. This argument exceeds 2 \ pi rad (multi-orange or multi-period), so the inversion of the cosine function must be accompanied by a account procedure and accumulation of the corresponding argument to semiperiod units.
Por otro lado, para invertir la función coseno se utilizan valores discretos de correspondencia biunívoca entre la señal cosenoidal y su argumento. En la práctica los niveles correspondientes a 8 bits de codificación permiten distinguir argumentos menores que \pi/25 (4% de error de linealidad máximo). La implementación práctica es a través de una tabla de correspondencias entre la función coseno y su argumento, de la que se obtiene el excedente (ente 0 y \pi rad). La relación cosenoidal entre el estímulo y la respuesta hace imposible determinar a partir de esta última si el estímulo responde a un incremento o decremento (signo indeterminado).On the other hand, to reverse the cosine function discrete values of biunivocal correspondence are used between the cosenoidal signal and its argument. In practice the levels corresponding to 8 bits of coding allow to distinguish arguments smaller than \ pi / 25 (4% maximum linearity error). The practical implementation is through a table of correspondences between the cosine function and its argument, of which the surplus is obtained (entity 0 and? rad). The relationship cosenoidal between stimulus and response makes impossible determine from the latter if the stimulus responds to a increase or decrease (indeterminate sign).
Un bloque de sincronismo es el encargado de resolver esta dificultad a partir de una referencia externa de dicho signo. Tanto las vibraciones del núcleo (deformación dinámica), como las de los arrollamientos (deformación dinámica o desplazamiento relativo entre galletas) están en sincronismo con la tensión de excitación del transformador o una reproducción retardada. La referencia de sincronismo (50 Hz) marca en sus extremos y cruces por cero el cambio de signo en el estímulo (100 Hz del armónico fundamental y dominante).A sync block is in charge of solve this difficulty from an external reference of said sign. Both core vibrations (deformation dynamic), such as those of windings (dynamic deformation or relative displacement between cookies) are in sync with the excitation voltage of the transformer or a reproduction delayed The synchronism reference (50 Hz) marks on its extremes and zero crossings the change of sign in the stimulus (100 Hz of the fundamental and dominant harmonic).
En la figura 6 se muestra el esquema de bloques del método de medida y procesamiento de la señal. Primero se detecta el paso por cero de la señal de referencia y su versión en cuadratura, es decir, se detectan los instantes de sincronismo (23). En paralelo y entre dos instantes de sincronismo, se procede a la adquisición (24) de la ventana temporal de la señal interferométrica multifranja, ventana que corresponde a un semiperíodo del estímulo.Figure 6 shows the block diagram of the method of measurement and signal processing. First it detects the zero crossing of the reference signal and its version in quadrature, that is, sync moments are detected (2. 3). In parallel and between two instants of synchronism, we proceed upon acquisition (24) of the time window of the signal multifranja interferometric, window that corresponds to a half period of the stimulus.
Seguidamente y sobre la señal interferométrica adquirida se realiza un control automático de ganancia o normalización (25) que hace corresponder sus cotas extremas con los valores +1 y -1 en la función coseno normalizada. A continuación, sobre la señal normalizada se aplica la tabla de correspondencias entre la cota de la función coseno (entre -1 y +1) y el argumento de la misma (entre 0 y \pi rad), es decir, se aplica la función arcocoseno (26). Después se considera la diferencia entre muestras (27) y a lo largo de cada ventana acotada por el sincronismo, se acumulan los incrementos del argumento entre muestras consecutivas. Los extremos detectados (máximos y mínimos locales) indican un cambio de signo en la pendiente de la función arcocoseno, y que se corrige sobre el acumulado (28). Los instantes de sincronismo indican un cambio de pendiente en el estímulo y por lo tanto un cambio de signo en el acumulado. La señal resultante (respuesta del sistema sensor) es filtrada (29) paso alto para eliminar la deriva de baja frecuencia debida a la temperatura.Next and on the interferometric signal acquired an automatic gain control is performed or normalization (25) that matches its extreme dimensions with the values +1 and -1 in the normalized cosine function. Then, the correspondence table is applied to the normalized signal between the dimension of the cosine function (between -1 and +1) and the argument of it (between 0 and \ rad rad), that is, the function is applied arccosine (26). Then the difference between samples is considered (27) and throughout each window bounded by synchronism, accumulate the increments of the argument between consecutive samples. The detected extremes (local maximum and minimum) indicate a change of sign on the slope of the arccosine function, and that correct over the accumulated (28). The moments of synchronism indicate a change of slope in the stimulus and therefore a change of sign in the accumulated. The resulting signal (response of sensor system) is filtered (29) high pass to eliminate drift Low frequency due to temperature.
Por último, se aplica la constante de proporcionalidad entre elongación (relativa a una longitud de onda, como por ejemplo 633 nm) y argumento del coseno obtenido, y se presentan los resultados para su estudio.Finally, the constant of proportionality between elongation (relative to a wavelength, such as 633 nm) and argument of the obtained cosine, and Present the results for your study.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin salir del objeto de la invención reivindicada.In view of this description and game of figures, the expert in the field may understand that the Embodiments of the invention that have been described may be combined in multiple ways within the object of the invention. The invention has been described according to some embodiments. Preferred, but for the person skilled in the art it will be clear that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments without leaving the object of the claimed invention.
Claims (22)
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Citations (3)
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| US5883712A (en) * | 1997-05-21 | 1999-03-16 | Nicolet Instrument Corporation | Interferometer of an infrared spectrometer with dynamic moving mirror alignment |
-
2004
- 2004-04-29 ES ES200401028A patent/ES2265223B1/en not_active Expired - Fee Related
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| ES2265223A1 (en) | 2007-02-01 |
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