ITPI20100136A1 - MEASUREMENT APPARATUS - Google Patents
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Description
“APPARATO DI MISURA†⠀ œMEASURING APPARATUSâ €
La presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura. In particolare, la presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura di tipo opto-elettronico. Più in particolare la presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura opto-elettronico impiegabile per monitorare delle caratteristiche fisiche di una struttura architettonica o ingegneristica. The present invention relates to a measuring apparatus. In particular, the present invention relates to an opto-electronic type measuring apparatus. More particularly, the present invention relates to an opto-electronic measuring apparatus which can be used to monitor the physical characteristics of an architectural or engineering structure.
DESCRIZIONE DELLO STATO DELLA TECNICA DESCRIPTION OF THE STATE OF THE ART
Nel campo dell’ingegneria civile ed industriale, ed in particolare nell’ambito della costruzione di strutture di grandi dimensioni, ad esempio gallerie autostradali e ferroviarie, oleodotti, gasdotti, elettrodotti ed impianti industriali in genere, à ̈ noto impiegare degli apparati di misura per monitorare con continuità dei parametri strutturali e/o funzionali di tali strutture. In particolare, tali apparati di misura sono comunemente impiegati per controllare l’andamento nel tempo della temperatura e/o dello “strain†, cioà ̈ della deformazione o elongazione relativa, della rispettiva struttura. Più in dettaglio, tali apparati di misura sono atti a restituire delle informazioni di carattere locale e sono quindi impiegabili per monitorare, in funzione del tempo, la temperatura e/o lo strain associati ad una pluralità di porzioni e/o di componenti della struttura ingegneristica da mantenere sotto osservazione. In the field of civil and industrial engineering, and in particular in the construction of large structures, for example motorway and railway tunnels, oil pipelines, gas pipelines, power lines and industrial plants in general, it is known to use measure to continuously monitor the structural and / or functional parameters of these structures. In particular, these measuring apparatuses are commonly used to check the trend over time of the temperature and / or â € œstrainâ €, that is, of the relative deformation or elongation, of the respective structure. More in detail, these measuring devices are able to return information of a local nature and can therefore be used to monitor, as a function of time, the temperature and / or strain associated with a plurality of portions and / or components of the engineering structure. to be kept under observation.
Fra gli apparati di misura impiegati per monitorare lo stato di strutture ingegneristiche o architettoniche, particolare importanza ricoprono i dispositivi optoelettronici basati su fibre ottiche. In particolare, tali apparati, possono essere tipicamente di due tipi: Among the measuring devices used to monitor the state of engineering or architectural structures, optoelectronic devices based on optical fibers cover particular importance. In particular, these apparatuses can typically be of two types:
a) sensori distribuiti in fibra ottica che comprendono comunemente un dispositivo opto-elettronico di misura provvisto di una sonda a fibra ottica costituente l'elemento di sensing e presentante estensione elevata, solitamente dell’ordine delle diverse decine di chilometri. In uso, tale fibra ottica viene accoppiata stabilmente e mantenuta sostanzialmente a contatto con delle porzioni o dei componenti della struttura ingegneristica di cui si desidera monitorare dei rispettivi parametri fisici. Ad esempio, tale fibra ottica potrà correre lungo binari ferroviari o lungo le tubature di un oleodotto, vapordotto o gasdotto, oppure essere inserita all’interno di un cavo per trasporto energia o allocata all’interno di gallerie ferroviarie e autostradali, in modo tale da essere impiegabile per visualizzare l’andamento locale della temperatura e/o dello strain di tali elementi con caratteristiche tipicamente distribuite spazialmente e statiche, nel senso che le tecniche di misura impiegate richiedono tipicamente tempi di misura non inferiori all’ordine di secondi o decine di secondi. a) distributed optical fiber sensors which commonly comprise an opto-electronic measuring device provided with an optical fiber probe constituting the sensing element and having a large extension, usually of the order of several tens of kilometers. In use, this optical fiber is coupled stably and kept substantially in contact with portions or components of the engineering structure whose respective physical parameters are to be monitored. For example, this optical fiber can run along railway tracks or along the pipes of an oil pipeline, steam pipeline or gas pipeline, or be inserted inside an energy transport cable or allocated inside railway and motorway tunnels, so such that it can be used to display the local temperature and / or strain trend of such elements with typically spatially distributed and static characteristics, in the sense that the measurement techniques used typically require measurement times of no less than seconds or tens of seconds.
b) sensori concentrati in fibra ottica che comprendono comunemente un dispositivo opto-elettronico di misura provvisto di una sonda a fibra ottica presentante estensione variabile a seconda delle specifiche applicazioni, fino all’ordine delle diverse decine di chilometri, e provvisto inoltre di elementi sensoriali discreti in fibra ottica, posizionati lungo la fibra in posizioni spazialmente disgiunte e tipicamente costituiti da reticoli di Bragg, detti “Fiber Bragg Grating†(FBG), potenzialmente scrivibili direttamente nel nucleo della fibra stessa. In uso, tali elementi sensoriali discreti disposti lungo la fibra in posizioni spazialmente diverse, vengono accoppiati stabilmente e mantenuti sostanzialmente a contatto con componenti critiche della struttura ingegneristica di cui si desidera monitorare dei rispettivi parametri fisici, tipicamente variabili nel tempo anche a frequenze elevate fino all’ordine di svariati kHz. Ad esempio, tale fibra ottica potrà correre lungo le tubature di un oleodotto o gasdotto oppure lungo un binario ferroviario, lungo strutture civili o geotecniche di elevate dimensioni, quali ponti e dighe, all’interno di gallerie ferroviarie e autostradali, in modo tale da consentire il posizionamento di FBG lungo la fibra in punti considerati critici delle rispettive strutture, e la loro interrogazione dinamica al fine di misurare localmente in tali punti critici parametri fisici di interesse quali le vibrazioni, le deformazioni, la pressione, la portata e la temperatura. b) concentrated optical fiber sensors which commonly comprise an opto-electronic measuring device equipped with an optical fiber probe whose extension varies according to the specific applications, up to the order of several tens of kilometers, and also equipped with sensory elements optical fiber discrete, positioned along the fiber in spatially disjoint positions and typically made up of Bragg gratings, called â € œFiber Bragg Gratingâ € (FBG), potentially writable directly in the core of the fiber itself. In use, these discrete sensory elements arranged along the fiber in spatially different positions are stably coupled and kept substantially in contact with critical components of the engineering structure whose respective physical parameters are to be monitored, typically variable over time even at high frequencies up to € ™ order of several kHz. For example, this optical fiber can run along the pipes of an oil or gas pipeline or along a railway track, along large civil or geotechnical structures, such as bridges and dams, inside railway and motorway tunnels, in such a way as to allow the positioning of FBG along the fiber in points considered critical of the respective structures, and their dynamic interrogation in order to locally measure in these critical points physical parameters of interest such as vibrations, deformations, pressure, flow rate and temperature.
Dall’informazione distribuita del profilo di temperatura statico della struttura e dalle informazioni fornite dall’interrogazione dinamica degli FBG à ̈ quindi possibile estrarre informazioni complementari relative al corretto funzionamento delle strutture stesse e quindi importanti ai fini della sicurezza e dell’impatto ambientale; per esempio à ̈ possibile rilevare la temperatura distribuita lungo un binario ferroviario ed individuare contemporaneamente il passaggio di rotabili ed eventualmente il loro peso, mediante interrogazione dinamica di FBG posti in punti specifici del binario. Oppure à ̈ possibile individuare precocemente perdite in gasdotti, oleodotti e vapordotti, corrispondenti a variazioni statiche di temperatura lungo le condutture, e monitorare simultaneamente vibrazioni anomale in punti critici delle condutture individuando precocemente sia perdite che potenziali problemi strutturali. From the distributed information of the static temperature profile of the structure and from the information provided by the dynamic query of the FBGs, it is therefore possible to extract complementary information relating to the correct functioning of the structures themselves and therefore important for safety and environmental impact. ; for example, it is possible to detect the temperature distributed along a railway track and simultaneously identify the passage of rolling stock and possibly their weight, by means of dynamic interrogation of FBGs placed in specific points of the track. Or it is possible to detect leaks in gas pipelines, oil pipelines and steam pipelines early, corresponding to static temperature variations along the pipelines, and simultaneously monitor anomalous vibrations in critical points of the pipelines, identifying both leaks and potential structural problems early.
A questo punto à ̈ opportuno notare che tali strumenti di misura basati su fibre ottiche possono essere suddivisi in varie tipologie in funzione sia della/e grandezza/e fisica/che che sono atti a misurare, sia del principio fisico impiegato per rivelare tale grandezza, sia anche in base alle caratteristiche precedentemente citate di misura distribuita, sostanzialmente statica, e misura concentrata sostanzialmente dinamica. In particolare, sono noti degli apparati di misura distribuita basati sullo “scattering†o diffusione Raman spontanea, effetto ottico comunemente indicato con l’acronimo SRS, in cui ogni rispettivo dispositivo opto-elettronico di misura comprende una sorgente ottica, ad esempio un laser, atta ad emettere lungo una fibra ottica comune una pluralità di impulsi luminosi presentanti una durata dell’ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi. In uso tali impulsi luminosi percorrono la fibra ottica della sonda per tutta la rispettiva estensione subendo in corrispondenza di ogni tratto di tale fibra ottica un processo di parziale retro-diffusione anelastica noto appunto come scattering Raman. At this point it should be noted that these measuring instruments based on optical fibers can be divided into various types according to both the physical quantity (s) they are capable of measuring, and the physical principle used to detect this quantity, and also on the basis of the previously mentioned characteristics of distributed measurement, substantially static, and concentrated measurement substantially dynamic. In particular, distributed measurement apparatuses are known based on â € œscatteringâ € or spontaneous Raman diffusion, an optical effect commonly referred to with the acronym SRS, in which each respective opto-electronic measurement device includes an optical source, for example a laser, able to emit along a common optical fiber a plurality of light pulses having a duration of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds. In use, these light pulses travel along the optical fiber of the probe for the entire respective extension undergoing a process of partial inelastic back-diffusion known as Raman scattering in correspondence with each section of this optical fiber.
Senza addentrarsi nei principi fisici che sono all’origine della radiazione retro diffusa dalla fibra ottica, à ̈ opportuno notare che i processi di retro diffusione anelastici dovuti all’interazione Raman generano due componenti spettralmente separate dalla sorgente, dette rispettivamente riga Raman Anti-Stokes (AS) e riga Raman Stokes (S); in caso di fibra ottica in silica, le righe Raman S e AS sono separate di circa 13 THz dalla sorgente, rispettivamente al di sotto e al di sopra dalla sua frequenza. Without going into the physical principles that are at the origin of the retro-scattered radiation from the optical fiber, it should be noted that the inelastic retro-diffusion processes due to the Raman interaction generate two components that are spectrally separated from the source, respectively called Raman Anti- Stokes (AS) and Raman Stokes line (S); in case of in silica optical fiber, the Raman S and AS lines are separated by about 13 THz from the source, respectively below and above its frequency.
In particolare, à ̈ noto che l’intensità della riga Anti-Stokes (AS) retro diffusa dipende non solo dalla temperatura della porzione di fibra in cui à ̈ avvenuta l’interazione anelastica che ha dato origine a tale componente Raman AS, ma anche da perdite indotte lunga la fibra da eventuali cause esterne. Pertanto à ̈ noto che per distinguere efficacemente le variazioni di temperatura dalle variazioni di perdita lungo la sonda in fibra ottica, solitamente si monitorizza il rapporto fra le intensità delle righe Raman Anti-Stokes e Stokes, o, in alternativa, il rapporto tra le intensità della riga Anti-Stokes e quella della retro-diffusione Rayleigh alla stessa lunghezza d’onda del laser di pompa. In particular, it is known that the intensity of the back diffuse Anti-Stokes (AS) line depends not only on the temperature of the fiber portion in which the inelastic interaction that gave rise to this Raman AS component took place, but also from losses induced along the fiber by any external causes. Therefore it is known that in order to effectively distinguish temperature variations from loss variations along the optical fiber probe, the ratio between the intensities of the Raman Anti-Stokes and Stokes lines is usually monitored, or, alternatively, the ratio between the intensities of the Anti-Stokes line and that of the Rayleigh retro-diffusion at the same wavelength as the pump laser.
Pertanto monitorando l’andamento nel tempo di tale rapporto à ̈ possibile ottenere delle informazioni relative alla temperatura associata a tali porzioni della fibra ottica e quindi alla struttura architettonica o ingegneristica a cui essa à ̈ stabilmente accoppiata. Tale tecnica, che permette di misurare la distribuzione spaziale lungo una fibra ottica di almeno una grandezza fisica, determinata mediante l’analisi di almeno un segnale ottico che viene retro-diffuso elasticamente o anelasticamente da tale fibra ottica, à ̈ indicata con il nome di Riflettometria Ottica nel Dominio del Tempo (OTDR) e rappresenta un’evoluzione delle comuni tecniche OTDR basate sulla retro-diffusione elastica della luce, ed impiegate comunemente per misurare la perdita di segnale lungo le fibre ottiche usate per le telecomunicazioni. Therefore, by monitoring the trend over time of this relationship, it is possible to obtain information relating to the temperature associated with these portions of the optical fiber and therefore to the architectural or engineering structure to which it is stably coupled. This technique, which allows to measure the spatial distribution along an optical fiber of at least one physical quantity, determined by analyzing at least one optical signal that is elastically or inelastically retro-diffused by this optical fiber, is indicated by the name of Optical Reflectometry in the Time Domain (OTDR) and represents an evolution of the common OTDR techniques based on the elastic back-scattering of light, and commonly used to measure the loss of signal along optical fibers used for telecommunications.
Un esempio di apparato di misura opto-elettronico basato sulla retro-diffusione Raman spontanea di impulsi luminosi lungo una rispettiva fibra ottica à ̈ descritto nell’articolo scientifico del Dr. G. Bolognini e altri, pubblicato nella rivista scientifica MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 18 No. 10, Ottobre 2007, pagine 3211-3218, dal titolo “Analysis of distributed temperature sensing based on Raman scattering using OTDR coding and discrete Raman amplification†. Tale articolo, qui e nel seguito indicato come documento D ed i cui insegnamenti devono considerarsi parte integrante della presente domanda di brevetto, presenta un dispositivo predisposto per misurare lungo una fibra ottica di vari chilometri, l’andamento nel tempo della temperatura locale di tale fibra ottica, dove con il termine locale si intende una risoluzione spaziale che può variare da un minimo di 1 metro fino a decine di metri, con caratteristiche sostanzialmente statiche (tempi di misura dell’ordine di secondi o decine di secondi). An example of an opto-electronic measurement apparatus based on the spontaneous Raman back-scattering of light pulses along a respective optical fiber is described in the scientific article by Dr. G. Bolognini and others, published in the scientific journal MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 18 No. 10, October 2007, pages 3211-3218, entitled â € œAnalysis of distributed temperature sensing based on Raman scattering using OTDR coding and discrete Raman amplificationâ €. This article, here and hereinafter referred to as document D and whose teachings must be considered an integral part of this patent application, presents a device designed to measure along an optical fiber of several kilometers, the trend over time of the local temperature of this optical fiber, where the term local means a spatial resolution that can vary from a minimum of 1 meter up to tens of meters, with substantially static characteristics (measurement times in the order of seconds or tens of seconds).
Inoltre sono noti degli apparati di misura concentrata basati sull’interrogazione di FBG disposti lungo la fibra ottica, che in tal caso non agisce come elemento sensoriale ma semplicemente come mezzo di trasposto dell’informazione fra i sensori puntuali FBG e l’interrogatore. E’noto in letteratura che tali FBG presentano uno spettro di riflessione dipendente dalla temperatura e dallo strain locali, e che tali FBG rispondono rapidamente a variazioni di tali parametri locali. E’ anche noto che esistono varie tecniche di interrogazione di FBG che spaziano da tecniche nel dominio del tempo (TDM) a tecniche del dominio della frequenza (WDM), fino a comprendere tecniche ibride TDM-WDM, accomunate dal fatto che una misura dinamica della posizione spettrale del picco di riflessione dell’FBG può fornire informazioni relative alle variazioni dinamiche di temperatura, di strain e di altri parametri quali la pressione e la portata (mediante opportuni trasduttori) nell’intorno della specifica posizione spaziale della struttura ove à ̈ inserito il particolare FBG. In particolare nella tecnica di interrogazione TDM può essere utilizzata una sorgente ottica, ad esempio un laser, atta ad emettere lungo una fibra ottica una pluralità di impulsi luminosi presentanti una durata dell’ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi. In uso tali impulsi luminosi percorrono la fibra ottica per tutta la sua rispettiva estensione, subendo in corrispondenza di ogni FBG un processo di parziale retrodiffusione la cui intensità nel tempo dipenderà dalla posizione spettrale del particolare FBG interrogato; tali FBG saranno scelti a bassa riflettività , saranno disposti lungo la fibra nelle posizioni critiche della struttura ad una distanza minima l’uno dall’altro dipendente dalla durata degli impulsi utilizzati, saranno centrati alla medesima lunghezza d’onda e avranno caratteristiche tali da potere essere utilizzati come trasduttori frequenzaampiezza. La misura dinamica delle variazioni delle intensità riflesse da ogni FBG consente di risalire mediante tecniche di rivelazione di tipo TDM alle variazioni dinamiche di temperatura e strain, o altri parametri fisici correlati mediante opportuni trasduttori, nei vari punti di interrogazione, con una velocità massima di interrogazione legata alla frequenza di ripetizione degli impulsi laser. In addition, concentrated measurement devices are known based on the FBG interrogation arranged along the optical fiber, which in this case does not act as a sensory element but simply as a means of transposing the information between the FBG point sensors and the interrogator. . It is known in the literature that such FBGs have a reflection spectrum dependent on local temperature and strain, and that these FBGs respond rapidly to variations in these local parameters. It is also known that there are various FBG interrogation techniques ranging from time domain techniques (TDM) to frequency domain techniques (WDM), up to including hybrid TDM-WDM techniques, united by the fact that a dynamic measurement the spectral position of the reflection peak of the FBG can provide information relating to the dynamic variations of temperature, strain and other parameters such as pressure and flow (by means of suitable transducers) around the specific spatial position of the structure where The particular FBG has been inserted. In particular, in the TDM interrogation technique an optical source, for example a laser, can be used, capable of emitting along an optical fiber a plurality of light pulses having a duration of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds. In use, these light pulses run through the optical fiber for all its respective extension, undergoing a partial backscatter process in correspondence with each FBG, the intensity of which over time will depend on the spectral position of the particular FBG being interrogated; these FBGs will be chosen with low reflectivity, they will be arranged along the fiber in the critical positions of the structure at a minimum distance from each other depending on the duration of the pulses used, they will be centered at the same wavelength and will have such characteristics to be used as frequency-amplitude transducers. The dynamic measurement of the intensity variations reflected by each FBG allows to trace the dynamic variations of temperature and strain, or other related physical parameters by means of suitable transducers, in the various interrogation points, using TDM detection techniques, with a maximum interrogation speed linked to the repetition frequency of laser pulses.
A titolo di esempio, impulsi da 10 ns a 5 kHz di frequenza di ripetizione consentono di interrogare FBG distanti fra loro non meno di 1 metro, con banda di 5 kHz e distanza massima lungo la fibra di 20 Km (corrispondente al tempo di transito degli impulsi lungo la fibra ottica). In casi di interesse pratico il numero di FBG interrogabili con tecniche TDM à ̈ tipicamente limitato da effetti di riflessioni multiple ed à ̈ inferiore a una o qualche decina. By way of example, pulses from 10 ns to 5 kHz of repetition frequency make it possible to interrogate FBGs at a distance of not less than 1 meter from each other, with a band of 5 kHz and a maximum distance along the fiber of 20 km (corresponding to the transit time of the pulses along the optical fiber). In cases of practical interest, the number of FBGs that can be interrogated with TDM techniques is typically limited by the effects of multiple reflections and is less than one or a few dozen.
Un esempio di apparato di interrogazione opto-elettronico di FBG basato sulla tecnica TDM à ̈ descritto nell’articolo scientifico del Dr. Alan D. Kersey e altri, pubblicato nella rivista scientifica JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 8, AUGUST 1997, dal titolo “Fiber Grating Sensors†. Tale articolo, qui e nel seguito indicato come documento E, ed i cui insegnamenti devono considerarsi parte integrante della presente domanda di brevetto, presenta varie configurazioni di misura di tipo TDM, WDM ed ibride TDM/WDM, per interrogare FBG posti lungo una fibra ottica di vari km, ed individuare l’andamento dinamico della temperatura e dello strain locali nelle posizioni degli FBG, dove con il termine dinamico si intendono frequenze di vari kHz. Gli FBG potranno essere a bassa o ad alta riflettività , centrati intorno alla stessa lunghezza d’onda o a lunghezze d’onda differenti, di tipo Gaussiano, chirpati, apodizzati, lineari a seconda della particolare tecnica di interrogazione utilizzata. An example of an FBG opto-electronic interrogation apparatus based on the TDM technique is described in the scientific article by Dr. Alan D. Kersey and others, published in the scientific journal JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 8, AUGUST 1997, entitled â € œFiber Grating Sensorsâ €. This article, here and hereinafter referred to as document E, and whose teachings must be considered an integral part of this patent application, presents various measurement configurations of the TDM, WDM and hybrid TDM / WDM type, to interrogate FBGs placed along an optical fiber of several km, and identify the dynamic trend of the local temperature and strain in the positions of the FBGs, where the term dynamic means frequencies of various kHz. The FBGs can be low or high reflectivity, centered around the same wavelength or at different wavelengths, Gaussian type, chirped, apodized, linear depending on the particular interrogation technique used.
E’ tuttavia opportuno notare che spesso in applicazioni pratiche esiste l’esigenza di monitorare simultaneamente il profilo statico distribuito di temperatura lungo strutture di elevate dimensioni spaziali e contemporaneamente monitorare dinamicamente parametri fisici quali le vibrazioni della stessa struttura in punti considerati critici o misurare dinamicamente la pressione o la portata di liquidi, fluidi o gas all’interno di condutture. A titolo di esempio strutture estese quali gasdotti, oleodotti e vapordotti rappresentano il tipico esempio in cui tale esigenza si manifesta; i punti critici nei quali misurare dinamicamente lo strain sono in tali casi individuabili in snodi o sostegni delle condutture, mentre altri punti potranno essere utilizzati mediante opportuni trasduttori per misure di pressione e/o portata. Altro esempio significativo riguarda i binari ferroviari nel qual caso può interessare una misura statica distribuita di temperatura combinata a misura dinamica di strain in punti discreti del binario al fine di conteggio di assi di rotabili o pesatura dinamica di convogli. However, it should be noted that often in practical applications there is a need to simultaneously monitor the distributed static temperature profile along structures of large spatial dimensions and at the same time dynamically monitor physical parameters such as the vibrations of the same structure in points considered critical or measure dynamically the pressure or flow rate of liquids, fluids or gases inside pipelines. By way of example, extensive structures such as gas pipelines, oil pipelines and steam pipelines represent the typical example in which this need arises; the critical points in which to dynamically measure the strain are in such cases identifiable in joints or supports of the pipelines, while other points can be used by means of suitable transducers for pressure and / or flow rate measurements. Another significant example concerns railway tracks in which case it may involve a static distributed measurement of temperature combined with dynamic measurement of strain in discrete points of the track in order to count rolling stock axes or dynamic weighing of trains.
I prodotti commerciali disponibili attualmente sul mercato effettuano separatamente misura distribuita di temperatura, basata sulla retrodiffusione (scattering) Raman spontanea, ed interrogazione dinamica di FBG posizionati in punti discreti lungo strutture civili ed industriali in generale. The commercial products currently available on the market perform separately distributed temperature measurement, based on spontaneous Raman backscattering, and dynamic interrogation of FBGs positioned in discrete points along civil and industrial structures in general.
Pertanto, il problema di disporre di un unico apparato di misura opto-elettronico in grado di misurare simultaneamente il profilo statico distribuito di temperature lungo una struttura di elevata estensione spaziale, utilizzando lo scattering Raman spontaneo di radiazioni elettromagnetiche all’interno di una prima fibra ottica, ed in grado di interrogare simultaneamente e dinamicamente svariati FBG posizionati lungo una seconda fibra ottica posizionata lungo la medesima struttura in posizioni considerate critiche, risulta al momento non risolto, o risolvibile in modo insoddisfacente utilizzando due apparati di misura optoelettronici separati, e rappresenta quindi una sfida interessante per le richiedenti che si sono date lo scopo di realizzare un apparato di misura unico che sia atto a superare i limiti dell’arte nota sopra illustrata. In particolare, alla luce dello stato della tecnica sopra illustrata, sarebbe auspicabile disporre di un economico ed affidabile apparato di misura opto-elettronico basato sullo scattering Raman spontaneo di impulsi elettromagnetici all’interno di una prima fibra ottica, e sulla riflessione concentrata di impulsi elettromagnetici generati dalla medesima sorgente, da parte di FBG posizionati su una seconda fibra ottica posizionata lungo la medesima struttura; sarebbe auspicabile che tale apparato presenti una portata di misura distribuita statica di temperatura dell’ordine di decine di Km con risoluzioni spaziali dell’ordine del metro o di pochi metri, risoluzioni in temperatura dell’ordine del grado centigrado e tempi di misura di secondi o decine di secondi, e contemporaneamente la possibilità di interrogazione dinamica a frequenze dell’ordine dei kHz di decine di FBG posizionati lungo la medesima struttura in punti considerati critici o di interesse particolare. SOMMARIO DELLA PRESENTE INVENZIONE Therefore, the problem of having a single opto-electronic measuring apparatus capable of simultaneously measuring the distributed static profile of temperatures along a structure of high spatial extension, using the spontaneous Raman scattering of electromagnetic radiation inside a first fiber optical, and capable of simultaneously and dynamically interrogating various FBGs positioned along a second optical fiber positioned along the same structure in positions considered to be critical, is currently unsolved, or unsatisfactorily resolvable using two separate optoelectronic measuring devices, and therefore represents an interesting challenge for the applicants who have set themselves the goal of creating a unique measuring apparatus that is capable of overcoming the limits of the prior art illustrated above. In particular, in the light of the state of the art illustrated above, it would be desirable to have an inexpensive and reliable opto-electronic measuring apparatus based on the spontaneous Raman scattering of electromagnetic pulses inside a first optical fiber, and on the concentrated reflection of pulses. electromagnetic generated from the same source, by FBG positioned on a second optical fiber positioned along the same structure; it would be desirable for this apparatus to have a static distributed measurement range of temperature of the order of tens of km with spatial resolutions of the order of one meter or a few meters, temperature resolutions of the order of one degree centigrade and measurement times seconds or tens of seconds, and at the same time the possibility of dynamic interrogation at frequencies of the order of kHz of tens of FBGs positioned along the same structure in points considered critical or of particular interest. SUMMARY OF THE PRESENT INVENTION
La presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura. In particolare, la presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura di tipo opto-elettronico. Più in particolare la presente invenzione à ̈ relativa ad un apparato di misura opto-elettronico impiegabile per monitorare delle caratteristiche fisiche di una struttura architettonica o ingegneristica. The present invention relates to a measuring apparatus. In particular, the present invention relates to an opto-electronic type measuring apparatus. More particularly, the present invention relates to an opto-electronic measuring apparatus which can be used to monitor the physical characteristics of an architectural or engineering structure.
Scopo della presente invenzione à ̈ realizzare un apparato di misura che permetta di risolvere gli inconvenienti sopra illustrati, e che sia atto a soddisfare un insieme di esigenze allo stato dei fatti ancora senza risposta, e quindi, atto a rappresentare una nuova ed originale fonte di interesse economico, in grado di modificare l’attuale mercato degli apparati di misura. The purpose of the present invention is to produce a measuring apparatus that allows to solve the above-mentioned drawbacks, and that is able to satisfy a set of needs at the state of the art still unanswered, and therefore, capable of representing a new and original source of economic interest, capable of modifying the current market for measuring equipment.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un apparato di misura le cui caratteristiche principali verranno descritte in almeno una delle rivendicazioni che seguono. According to the present invention, a measuring apparatus is provided, the main characteristics of which will be described in at least one of the following claims.
Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ fornire un metodo di misura validamente impiegabile per monitorare con continuità e localmente in modo dinamico delle caratteristiche fisiche di un corpo determinato. A further object of the present invention is to provide a measurement method that can be validly used for continuously and locally dynamically monitoring the physical characteristics of a determined body.
Secondo la presente invenzione viene fornito un metodo di misura e le caratteristiche principali di tale metodo verranno descritte in almeno una delle rivendicazioni che seguono. According to the present invention, a measurement method is provided and the main characteristics of this method will be described in at least one of the following claims.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’apparato di misura secondo la presente invenzione appariranno più chiari dalla descrizione seguente, esposta con riferimento alle figure allegate che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, nelle quali parti identiche o corrispondenti del dispositivo stesso sono identificate dagli stessi numeri di riferimento. In particolare: Further characteristics and advantages of the measuring apparatus according to the present invention will become clearer from the following description, shown with reference to the attached figures which illustrate some examples of non-limiting embodiments, in which identical or corresponding parts of the device itself are identified by them. reference numbers. In particular:
- la figura A rappresenta uno spettro di retro-diffusione Raman spontaneo di una radiazione elettromagnetica trasmessa lungo una fibra ottica - figure A represents a spontaneous Raman retro-diffusion spectrum of an electromagnetic radiation transmitted along an optical fiber
- la figura B rappresenta uno schema di principio di interrogazione dinamica di FBG mediante una particolare tecnica TDM, nella quale una sorgente impulsata a banda stretta à ̈ inviata lungo una fibra ottica comprendente FBG a bassa riflettività posizionati in posizioni spaziali distinte lungo la fibra; le riflessioni di tali impulsi da parte di FBG, utilizzati come filtri lineari, e spazialmente distinti lungo la fibra raggiungeranno il ricevitore a tempi distinti e consentiranno quindi di misurare variazioni frequenziali dei diversi FBG corrispondenti a variazioni locali di strain e temperatura - figure B represents a principle diagram of dynamic interrogation of FBG by means of a particular TDM technique, in which a narrow band pulsed source is sent along an optical fiber comprising low reflectivity FBGs positioned in distinct spatial positions along the fiber; the reflections of these pulses by FBG, used as linear filters, and spatially distinct along the fiber will reach the receiver at different times and will therefore allow to measure frequency variations of the different FBG corresponding to local variations of strain and temperature
- la figura C rappresenta uno schema di principio di interrogazione dinamica di FBG mediante coppia di FBG a pendenza opposta utilizzati come filtri lineari al fine di eliminare effetti di perdite spurie - figure C represents a principle diagram of dynamic interrogation of FBG by means of a pair of FBG with opposite slope used as linear filters in order to eliminate the effects of spurious losses
- la figura 1 Ã ̈ una vista schematica a blocchi della preferita forma di attuazione di un apparato di misura secondo la presente invenzione; Figure 1 is a schematic block view of the preferred embodiment of a measuring apparatus according to the present invention;
- la figura 2 illustra una seconda preferita forma di attuazione della figura 1; Figure 2 illustrates a second preferred embodiment of Figure 1;
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PRESENTE INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
Nella figura 1, con 1 à ̈ indicata nel suo complesso un apparato di misura di tipo opto-elettronico impiegabile per monitorare con continuità nel tempo delle caratteristiche fisiche statiche e dinamiche di un corpo 100 determinato. In particolare, come risulterà evidente da quanto segue, l’apparato 1 di misura à ̈ preferibilmente atto a misurare localmente e staticamente in modo distribuito la temperatura del corpo 100 e simultaneamente lo strain dinamico in specifiche posizioni spaziali del corpo 100 che potrà , ad esempio, comprendere una struttura architettonica od ingegneristica come un binario ferroviario o un gasdotto o oleodotto, ma anche una centrale nucleare o un cavo energia. A tale scopo, l’apparato 1 di misura à ̈ provvisto di una prima sonda 25 presentante un’estensione L determinata che, in uso, à ̈ disposta a contatto con il corpo 100 e permette di effettuare delle misure distribuite delle proprietà fisiche di tale corpo, cioà ̈ delle misure atte a fornire delle informazioni sulle caratteristiche fisiche di porzioni limitate del corpo 100 o su tutto il corpo 100. Pertanto, impiegando una sonda 25 presentante un’estensione L opportunamente commisurata con le dimensioni del corpo 100 sarà possibile conoscere uno stato fisico dell’intero corpo 100 monitorando staticamente, ad esempio, la temperatura locale di una pluralità di porzioni contigue del corpo 100 stesso. L’apparato 1 di misura à ̈ provvisto inoltre di una seconda sonda 26 presentante un’estensione L determinata che, in uso, à ̈ disposta in prossimità del corpo 100 e consente di interrogare sensori puntuali in fibra ottica di tipo FBG, 40 e 41, posti a contatto con determinate porzioni spazialmente distinte del corpo 100. La seconda sonda 26 permette di effettuare delle misure dinamiche locali delle proprietà fisiche di tale corpo, cioà ̈ delle misure atte a fornire delle informazioni sulle caratteristiche fisiche di porzioni limitate del corpo 100. Pertanto, impiegando le due sonde 25 e 26 simultaneamente, presentanti un’estensione L opportunamente commisurata con le dimensioni del corpo 100 e comprendenti FBG 40, 41, disposti in posizioni spazialmente distinte lungo il corpo 100, sarà possibile conoscere simultaneamente uno stato fisico dell’intero corpo 100 monitorando staticamente, ad esempio, la temperatura locale di una pluralità di porzioni contigue del corpo 100 stesso, e gli stati fisici di porzioni specifiche del corpo 100, nelle quali sono posizionati gli FBG, monitorando ad esempio lo strain dinamico in tali punti discreti di misura. In Figure 1, 1 indicates as a whole an opto-electronic type measuring apparatus which can be used to continuously monitor the static and dynamic physical characteristics of a given body 100 over time. In particular, as will be evident from the following, the measuring apparatus 1 is preferably adapted to measure locally and statically in a distributed way the temperature of the body 100 and simultaneously the dynamic strain in specific spatial positions of the body 100 which can, for example, for example, including an architectural or engineering structure such as a railway track or a gas or oil pipeline, but also a nuclear power plant or a power cable. For this purpose, the measuring apparatus 1 is provided with a first probe 25 having a determined extension L which, in use, is arranged in contact with the body 100 and allows to carry out distributed measurements of the physical properties of this body, that is, measures suitable for providing information on the physical characteristics of limited portions of the body 100 or on the whole body 100. Therefore, by using a probe 25 having an extension L suitably commensurate with the dimensions of the body 100 it will be It is possible to know a physical state of the whole body 100 by statically monitoring, for example, the local temperature of a plurality of contiguous portions of the body 100 itself. The measuring apparatus 1 is also provided with a second probe 26 having a determined extension L which, in use, is arranged in proximity to the body 100 and allows to interrogate point sensors in optical fiber of the FBG type, 40 and 41, placed in contact with certain spatially distinct portions of the body 100. The second probe 26 allows to carry out local dynamic measurements of the physical properties of this body, that is, measures suitable for providing information on the physical characteristics of limited portions of the body 100. Therefore, by using the two probes 25 and 26 simultaneously, having an extension L suitably commensurate with the dimensions of the body 100 and including FBG 40, 41, arranged in spatially distinct positions along the body 100, it will be possible to simultaneously know a state physical whole body 100 by statically monitoring, for example, the local temperature of a plurality of contiguous portions of the body 100 same so, and the physical states of specific portions of the body 100, in which the FBGs are positioned, monitoring for example the dynamic strain in such discrete measurement points.
Si noti che le due sonde 25 e 26 saranno preferibilmente, ma non limitatamente, posizionate all’interno del medesimo cavo. Il posizionamento dei sensori puntuali in fibra ottica di tipo FBG può essere deciso contestualmente alla posatura in campo della sonda 26, ma può essere anche modificato in un qualsiasi momento successivo senza interferire con la sonda 25 ed il suo corretto funzionamento. It should be noted that the two probes 25 and 26 will preferably, but not limitedly, be positioned inside the same cable. The positioning of the FBG type fiber optic point sensors can be decided at the same time as the positioning of the probe 26 in the field, but it can also be modified at any subsequent time without interfering with the probe 25 and its correct operation.
Con particolare riferimento alla figura 1, il dispositivo di misura 1, comprende un gruppo di emissione 10 associato a o provvisto di una sorgente 15 elettromagnetica atta a produrre con continuità una radiazione EM1 elettromagnetica determinata, presentante una prima frequenza F portante ed una potenza ottica di picco P, corrispondente ad una sequenza periodica di impulsi ottici a frequenza di ripetizione determinata e costante nel tempo, dell’ordine dei kHz, controllata direttamente dal generatore di impulsi elettrico 16. With particular reference to Figure 1, the measuring device 1 comprises an emission group 10 associated with or provided with an electromagnetic source 15 capable of continuously producing a determined electromagnetic radiation EM1, having a first carrier frequency F and a peak optical power P, corresponding to a periodic sequence of optical pulses with a repetition frequency determined and constant over time, of the order of kHz, controlled directly by the electric pulse generator 16.
A questo punto à ̈ opportuno notare che qui e nel seguito si farà riferimento ad una sorgente 15 elettromagnetica comprendente un laser 15 di tipo noto, ad esempio un laser impulsato realizzato in fibra drogata con ioni Erbio, ed atto a generare una radiazione elettromagnetica impulsata ad elevata potenza di picco dell’ordine di decine o centinaia di Watt, presentante preferibilmente, ma non limitatamente, una prima frequenza F determinata dell’ordine dei 193 THz ed avente preferibilmente durata degli impulsi D dell’ordine di nanosecondi o decine di nanosecondi e, preferibilmente ma non limitatamente, larghezza di riga spettrale dell’ordine di un decimo di nanometro. At this point it should be noted that here and in the following reference will be made to an electromagnetic source 15 comprising a laser 15 of a known type, for example a pulsed laser made of fiber doped with Erbium ions, and capable of generating pulsed electromagnetic radiation to high peak power of the order of tens or hundreds of Watts, preferably having, but not limitedly, a first determined frequency F of the order of 193 THz and preferably having a duration of pulses D of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds and, preferably but not limitedly, spectral line width of the order of a tenth of a nanometer.
Tuttavia à ̈ opportuno notare che tale scelta progettuale ha carattere puramente arbitrario e non rappresenta un limite per la generalità della presente invenzione il cui rispettivo apparato 1 di misura potrà essere predisposto per impiegare sorgenti elettromagnetiche di tipo diverso, come per esempio sorgenti di tipo Q-switched passive, con caratteristiche tuttavia simili a quelle descritte precedentemente in termini di potenza di picco, durata degli impulsi e frequenza di ripetizione. E’ da notare che sorgenti elettromagnetiche di questo tipo, a causa delle modeste frequenze di ripetizione, sebbene caratterizzate da potenze di picco elevate, presentano potenze medie relativamente basse, e quindi convenienti al fine dell’affidabilità dei componenti ottici utilizzati negli apparati oggetto della presente invenzione. Inoltre tali sorgenti elettromagnetiche possono essere facilmente accoppiabili sia a fibre ottiche di tipo singolo modo, per esempio SMF G652, che a fibre ottiche multimodali, come per esempio fibre di tipo a profilo d’indice graduale 50/125, senza sostanziali limitazioni alle potenze di picco degli impulsi generati (limitazioni alle potenze massime di picco sono tuttavia dettate dall’insorgenza di effetti non lineari di propagazione in fibra, come verrà descritto in dettaglio in seguito). However, it should be noted that this design choice is purely arbitrary and does not represent a limit to the generality of the present invention, the respective measuring apparatus 1 of which can be set up to use electromagnetic sources of a different type, such as for example sources of the Q- type. switched passive, with characteristics however similar to those previously described in terms of peak power, pulse duration and repetition frequency. It should be noted that electromagnetic sources of this type, due to the modest repetition frequencies, although characterized by high peak powers, have relatively low average powers, and therefore convenient for the reliability of the optical components used in the object equipment. of the present invention. Furthermore, these electromagnetic sources can be easily coupled both to single mode optical fibers, for example SMF G652, and to multimode optical fibers, such as for example fibers of the gradual index type 50/125, without substantial limitations to the powers. of the generated pulses (limitations to the maximum peak powers are however dictated by the onset of non-linear propagation effects in the fiber, as will be described in detail below).
La sorgente elettromagnetica 15 sarà preferibilmente accoppiata in fibra ottica monomodale alla frequenza F di funzionamento. Con riferimento alla figura 1 à ̈ possibile notare che il gruppo di emissione 10 à ̈ seguito da dispositivo 11 di divisione di potenza, atto a ricevere in ingresso la sequenza di impulsi di durata D e periodo T e a dividerla su due fibre in uscita con opportuno rapporto di divisione, preferibilmente sbilanciato a favore di una delle due porte di uscita. Il gruppo di divisione di potenza 11 à ̈ seguito da due attenuatori ottici variabili 5 e 6, controllabili elettronicamente o manualmente, ed atti in uso a controllare separatamente le potenze di picco delle due sequenze di impulsi inviate lungo le sonde 25 e 26. Il periodo T con cui vengono generati gli impulsi P (si veda figura 1) à ̈ determinato dalle lunghezze L delle fibre ottiche 25 e 26, in quanto occorre far si che ogni impulso si propaghi completamente lungo la fibra e che la corrispettiva retro-diffusione ritorni al trasmettitore senza sovrapposizioni fra impulsi successivi. The electromagnetic source 15 will preferably be coupled in singlemode optical fiber at the operating frequency F. With reference to Figure 1, it is possible to note that the emission group 10 is followed by a power division device 11, adapted to receive at the input the sequence of pulses of duration D and period T and to divide it on two output fibers with suitable division ratio, preferably unbalanced in favor of one of the two exit ports. The power division group 11 is followed by two variable optical attenuators 5 and 6, electronically or manually controllable, and used to separately control the peak powers of the two pulse sequences sent along the probes 25 and 26. The period T with which the pulses P are generated (see figure 1) is determined by the lengths L of the optical fibers 25 and 26, as it is necessary to ensure that each pulse propagates completely along the fiber and that the corresponding retro-diffusion returns to the transmitter without overlapping between successive pulses.
Dovrà quindi essere soddisfatta la condizione T > 2Ln/c ove n à ̈ l’indice efficace del modo fondamentale della sonda 26 e c à ̈ la velocità della luce nel vuoto. Per esempio, per fibre ottiche 25 e 26 di estensione pari a 40 km, considerando la velocità di propagazione in fibra in silica pari a 2x10<8>m/s, ed un percorso di andata e ritorno pari a 80 km, il periodo T dovrà essere non inferiore a 400 microsecondi e la frequenza di ripetizione 1/T dovrà essere non superiore a 2.5 kHz. The condition T> 2Ln / c must therefore be satisfied where n is the effective index of the fundamental mode of the probe 26 and c is the speed of light in vacuum. For example, for optical fibers 25 and 26 of extension equal to 40 km, considering the propagation speed in silica fiber equal to 2x10 <8> m / s, and a round trip path equal to 80 km, the period T it must be no less than 400 microseconds and the 1 / T repetition rate must be no more than 2.5 kHz.
Si noti che la durata D degli impulsi determina la risoluzione spaziale del sensore distribuito (in assenza di dispersione intermodale, l’impiego di impulsi di durata D pari a 10 nanosecondi consente una risoluzione spaziale di 1 metro, mentre D pari a 1 nanosecondo consente di arrivare a una risoluzione spaziale di 10 cm). La durata D degli impulsi determina anche la distanza minima fra i sensori puntuali a FBG disposti lungo la fibra 26. Infatti per potere interrogare tali FBG utilizzando tecniche nel dominio del tempo (TDM) occorre garantire che le riflessioni concentrate da parte di FBG posti in posizioni contigue lungo la fibra 26, ad una distanza fra loro indicata con LFBG, arrivino al ricevitore 17 senza sovrapposizioni temporali. Ciò à ̈ garantito se LFBG> cD/2n dove c à ̈ la velocità della luce nel vuoto, D à ̈ la durata degli impulsi ed n l’indice efficace del modo fondamentale della fibra 26. A titolo di esempio con impulsi di durata pari a 10 nsec la separazione minima fra FBG successivi à ̈ pari a 1 metro. In casi di interesse pratico il numero di FBG interrogabili con tecniche TDM à ̈ tipicamente limitato da effetti di riflessioni multiple ed à ̈ non superiore a una o qualche decina. Si noti che la frequenza di ripetizione FR degli impulsi, legata alla lunghezza L delle fibra 25 e 26, determina anche la massima frequenza di interrogazione degli FBG. Per esempio se con fibre di estensione pari a 40 Km sarà necessario limitare la frequenza di interrogazione degli FBG a 2.5 kHz, con fibre più corte, per esempio 20 Km, sarà possibile interrogare gli FBG a frequenza maggiore, fino ad un massimo di 5 kHz, corrispondente al tempo di transito in andata e ritorno degli impulsi lungo l'intera lunghezza L delle fibre. Note that the duration D of the pulses determines the spatial resolution of the distributed sensor (in the absence of intermodal dispersion, the use of pulses of duration D equal to 10 nanoseconds allows a spatial resolution of 1 meter, while D equal to 1 nanosecond allows to reach a spatial resolution of 10 cm). The duration D of the pulses also determines the minimum distance between the point sensors to FBGs arranged along the fiber 26. In fact, in order to be able to interrogate these FBGs using time domain techniques (TDM), it is necessary to ensure that the concentrated reflections by FBGs placed in positions contiguous along the fiber 26, at a distance from each other indicated by LFBG, arrive at the receiver 17 without temporal overlaps. This is guaranteed if LFBG> cD / 2n where c is the speed of light in vacuum, D is the duration of the pulses and n the effective index of the fundamental mode of the fiber 26. By way of example with duration pulses equal to 10 nsec, the minimum separation between successive FBGs is equal to 1 meter. In cases of practical interest, the number of FBGs that can be interrogated with TDM techniques is typically limited by the effects of multiple reflections and is no more than one or a few dozen. It should be noted that the repetition frequency FR of the pulses, linked to the length L of the fibers 25 and 26, also determines the maximum interrogation frequency of the FBGs. For example, if with fibers of 40 Km extension it will be necessary to limit the interrogation frequency of the FBGs to 2.5 kHz, with shorter fibers, for example 20 Km, it will be possible to interrogate the FBGs with a higher frequency, up to a maximum of 5 kHz. , corresponding to the outward and return transit time of the pulses along the entire length L of the fibers.
Si noti che le sorgenti per generazione di impulsi con durata D dell’ordine del nanosecondo o decine di nanosecondi, caratterizzati da potenze di picco di decine o centinaia di Watt e frequenze di ripetizione FR dell’ordine dei kHz, atte all’applicazione di tecniche di misura distribuite basate su OTDR, sostanzialmente di tipo statico, ed atte all’applicazione di tecniche di misura dinamiche basate su interrogazione di sensori puntuali di tipo FBG utilizzando multiplazione nel dominio del tempo (TDM), sono tipicamente costose e rappresentano perciò la voce di costo principale nella componentistica dei sistemi optoelettronici di misura corrispondenti. L’impiego quindi di una unica sorgente di impulsi elettromagnetici in apparati opto-elettronici ibridi, per la simultanea misura distribuita di temperatura lungo strutture di elevate dimensioni, e il contemporaneo monitoraggio dinamico di sensori puntuali in fibra ottica quali FBG posizionati in punti critici della struttura medesima, rende applicabile commercialmente tali apparati ad un numero elevato di applicazioni in settori industriali strategici quali l’energia, l’ambiente, il monitoraggio strutturale, la sicurezza e la difesa. Note that the sources for the generation of pulses with duration D of the order of nanoseconds or tens of nanoseconds, characterized by peak powers of tens or hundreds of Watts and repetition frequencies FR of the order of kHz, suitable for application of distributed measurement techniques based on OTDR, substantially of the static type, and suitable for the application of dynamic measurement techniques based on interrogation of point sensors of the FBG type using time domain multiplexing (TDM), are typically expensive and represent therefore the main cost item in the components of the corresponding optoelectronic measurement systems. The use therefore of a single source of electromagnetic pulses in hybrid opto-electronic equipment, for the simultaneous distributed measurement of temperature along large structures, and the simultaneous dynamic monitoring of point sensors in optical fiber such as FBG positioned in critical points of the structure itself, makes these devices commercially applicable to a large number of applications in strategic industrial sectors such as energy, the environment, structural monitoring, security and defense.
E’ opportuno notare che la potenza di picco massima utilizzabile all’ingresso delle fibre ottiche 25 e 26, dipende dal tipo di fibra utilizzata, che preferibilmente sarà di tipo multimodale con profilo di indice di rifrazione parabolico 50/125 in caso di misura distribuita di temperatura e di tipo singolo modo G.652 nel caso di interrogazione di sensori puntuali di tipo FBG. Tale potenza di picco à ̈ sostanzialmente limitata dall’insorgenza di effetti di propagazione non lineari, quali la retro-diffusione Raman stimolata, la cui presenza darebbe luogo a inevitabili distorsioni e renderebbe impossibile la determinazione corretta della temperatura locale lungo la sonda 25, e l’insorgenza di fenomeni di retro-diffusione di Brillouin stimolato o fenomeni di auto-modulazione di fase “self-phase modulation†nel caso di impulsi propaganti lungo la sonda 26. In presenza di fibre ottiche multimodali tale limite massimo in presenza di impulsi di durata pari a 10 nanosecondi à ̈ dell’ordine di 20 Watt a 1550 nm, mentre nel caso di fibra monomodali la soglia di insorgenza di fenomeni di retro-diffusione di Brillouin stimolato e/o di SPM à ̈ dell’ordine di alcuni Watt. Appare quindi evidente come sia convenienze sbilanciare il rapporto di separazione di potenza del divisore ottico 11 in figura 1 a favore del ramo di misura verso la fibra 25. E’ inoltre importante notare che le sorgenti disponibili sul mercato ed in grado di generare sequenze di impulsi del tipo richiesto alla presente invenzione, sia di tipo in fibra drogata con terre rare sia di tipo Q-swithed passivo, presentano potenze ottiche di picco più che sufficienti alle presenti applicazioni. It should be noted that the maximum peak power that can be used at the input of the optical fibers 25 and 26 depends on the type of fiber used, which will preferably be of the multimode type with a parabolic refractive index profile 50/125 in case of measurement distributed temperature and single mode G.652 type in the case of interrogation of point sensors of the FBG type. This peak power is substantially limited by the onset of non-linear propagation effects, such as the stimulated Raman back-diffusion, the presence of which would give rise to inevitable distortions and make it impossible to correctly determine the local temperature along the probe 25, and the onset of stimulated Brillouin retro-diffusion phenomena or self-phase modulation phenomena in the case of pulses propagating along the probe 26. In the presence of multimodal optical fibers, this maximum limit in the presence of pulses with a duration of 10 nanoseconds are of the order of 20 Watts at 1550 nm, while in the case of single-mode fibers the threshold for onset of stimulated Brillouin and / or SPM retro-diffusion phenomena is of the order of a few Watts. It therefore appears evident that it is convenient to unbalance the power separation ratio of the optical divider 11 in figure 1 in favor of the measurement branch towards the fiber 25. It is also important to note that the sources available on the market are able to generate sequences of pulses of the type required by the present invention, both of the rare earth doped fiber type and of the passive Q-swithed type, have peak optical powers more than sufficient for the present applications.
Considerando in figura 1 la presenza di un divisore ottico 11, degli attenuatori ottici 5 e 6 e del filtro e circolatore ottico 37 e 38, le cui funzioni saranno chiarite in seguito, la potenza di picco richiesta dalla sorgente ottica 15 per garantire circa 20 Watt accoppiati nella fibra 25, e contemporaneamente qualche Watt accoppiati nella fibra 26 sarà dell’ordine di 50-100 Watt. Considering in figure 1 the presence of an optical divider 11, of the optical attenuators 5 and 6 and of the filter and optical circulator 37 and 38, whose functions will be clarified later, the peak power required by the optical source 15 to guarantee about 20 Watt coupled in fiber 25, and at the same time a few Watts coupled in fiber 26 will be of the order of 50-100 Watts.
E’ opportuno notare che la soluzione tecnologica oggetto della presente invenzione consente di inviare in fibra le massime potenze di picco, compatibili con l’insorgenza di effetti non lineari, e di applicare simultaneamente tecniche di interrogazione distribuita e concentrata di sensori in fibra ottica, rispettivamente di tipo statico e di tipo dinamico; tali caratteristiche, come verrà illustrato in seguito, consentono di superare le principali limitazioni in termini di costo degli attuali apparati di misura commerciali, qualora ne venissero utilizzati simultaneamente due distinti, uno per monitoraggio distribuito della temperatura locale di strutture architettoniche o ingegneristiche di estensione pari a varie decine di Km e uno per misure dinamiche mediante interrogazione di sensori FBG in punti discreti delle medesime strutture mediante impiego di fibre ottiche. It should be noted that the technological solution object of the present invention allows to send the maximum peak powers, compatible with the occurrence of non-linear effects, to the fiber and to simultaneously apply distributed and concentrated interrogation techniques of optical fiber sensors. , respectively of the static type and of the dynamic type; these characteristics, as will be illustrated below, allow to overcome the main limitations in terms of cost of the current commercial measuring devices, if two distinct ones are used simultaneously, one for distributed monitoring of the local temperature of architectural or engineering structures of extension equal to several tens of Km and one for dynamic measurements by interrogating FBG sensors in discrete points of the same structures by using optical fibers.
E’ opportuno inoltre notare che qui e nel seguito si farà uso di una terminologia comunemente impiegata nel campo dell’ottica senza con questo volersi limitare all’ambito della sola luce visibile, ma al contrario, si à ̈ inteso interpretare ogni termine afferente al dominio dell’ottica nella sua accezione più ampia e, quindi, prendendo in considerazione ogni radiazione elettromagnetica che rispetti sostanzialmente le leggi dell’ottica ondulatoria e/o dell’ottica geometrica, ad esempio, delle radiazioni elettromagnetiche nell’infrarosso. It should also be noted that here and in the following we will make use of a terminology commonly used in the field of optics without aiming to limit ourselves to only visible light, but on the contrary, we intend to interpret each term afferent to the domain of optics in its broadest sense and, therefore, taking into consideration any electromagnetic radiation that substantially complies with the laws of wave optics and / or geometric optics, for example, of electromagnetic radiation in infrared.
Tuttavia la scelta di operare a frequenze dell’ordine di 193 THz, corrispondenti a lunghezze d’onda nell’intorno di 1550 nm, à ̈ preferibile sebbene non esclusiva, in quanto in tale campo di lunghezze d’onda le fibre ottiche in silice presentano il minimo di attenuazione. Inoltre in tale campo di lunghezze d’onda sono disponibili componenti ottici commerciali largamente utilizzati per comunicazioni ottiche, e quindi affidabili e a basso costo, quali filtri, isolatori, accoppiatori, circolatori, divisori ottici e fotodiodi sia di tipo PIN che APD, ampiamente utilizzati nello schema di Figura 1. Sempre con riferimento alla figura 1, l’apparato 1 di misura comprende un gruppo di trasmissione ottica 200 aderente al corpo 100 provvisto delle sonde 25 e 26, che possono essere sia fibre ottiche monomodali che multimodali; la fibra 25 sarà preferibilmente multimodale e la fibra 26 monomodale. Le sonde 25 e 26 sono configurate per ricevere in ingresso le sequenze di impulsi P della radiazione EM1 a frequenza ottica F, caratterizzati da durata D, periodo T e frequenza di ripetizione FR, compatibili con le lunghezze L delle fibre 25 e 26 e la separazione minima fra FBG successivi lungo la fibra 26 (LFBG). However, the choice of operating at frequencies of the order of 193 THz, corresponding to wavelengths around 1550 nm, is preferable although not exclusive, as in this wavelength range the fibers silica optics have minimal attenuation. Furthermore, in this wavelength range there are commercial optical components widely used for optical communications, and therefore reliable and at low cost, such as filters, isolators, couplers, circulators, optical dividers and photodiodes both of the PIN and APD type, widely used in the diagram of Figure 1. Again with reference to Figure 1, the measuring apparatus 1 comprises an optical transmission assembly 200 adhering to the body 100 provided with the probes 25 and 26, which can be both single-mode and multimode optical fibers; the fiber 25 will preferably be multimode and the fiber 26 singlemode. The probes 25 and 26 are configured to receive in input the pulse sequences P of the EM1 radiation at optical frequency F, characterized by duration D, period T and repetition frequency FR, compatible with the lengths L of the fibers 25 and 26 and the separation minimum between successive FBGs along fiber 26 (LFBG).
A questo punto à ̈ opportuno ricordare che à ̈ ben noto il fenomeno per cui, quando un impulso elettromagnetico viene trasmesso lungo una rispettiva guida d’onda, ogni tratto di quest’ultima interagisce con tale impulso retro-riflettendo una piccola frazione della rispettiva energia ottica. In particolare tale fenomeno di retrodiffusione può essere interpretato come la sovrapposizione di un fenomeno di diffusione o “scattering†elastico, in cui una frazione della radiazione elettromagnetica trasmessa lungo la guida d’onda viene retro-diffusa senza che avvenga una variazione della rispettiva frequenza portante, e di un fenomeno di scattering anelastico, in cui la radiazione elettromagnetica viene diffusa dopo aver subito almeno una variazione della propria frequenza portante. At this point it should be remembered that the phenomenon is well known whereby, when an electromagnetic pulse is transmitted along a respective waveguide, each section of the latter interacts with this pulse retro-reflecting a small fraction of the respective optical energy. In particular, this backscattering phenomenon can be interpreted as the superposition of a diffusion phenomenon or elastic â € œscatteringâ €, in which a fraction of the electromagnetic radiation transmitted along the waveguide is back-scattered without a variation of the respective carrier frequency, and of an inelastic scattering phenomenon, in which the electromagnetic radiation is diffused after having undergone at least one variation of its own carrier frequency.
Pertanto in uso, l’invio di impulsi P elettromagnetici lungo la fibra ottica 25, genera una seconda radiazione EM2 elettromagnetica data dalla sovrapposizione di tutte le frazioni di tali impulsi P che vengono retro-diffuse dalle rispettive porzioni della fibra ottica 25 man mano che l’impulso procede lungo l’estensione lineare L di tale fibra ottica 25. In particolare tale seconda radiazione presenterà una prima componente EM2’ diffusa elasticamente e quindi centrata sulla prima frequenza portante F, ed almeno una seconda componente EM2’’ presentante una seconda frequenza FR. Therefore in use, the sending of electromagnetic pulses P along the optical fiber 25 generates a second electromagnetic radiation EM2 given by the superposition of all the fractions of these pulses P which are retro-diffused by the respective portions of the optical fiber 25 as the pulse proceeds along the linear extension L of this optical fiber 25. In particular, this second radiation will have a first component EM2â € ™ elastically diffused and therefore centered on the first carrier frequency F, and at least a second component EM2â € ™ â € ™ presenting a second frequency FR.
A questo punto à ̈ opportuno notare che, durante ogni processo di retro-diffusione, possono verificarsi una pluralità di fenomeni di scattering anelastico distinti, ad ognuno dei quali sarà associata la creazione di una diversa componente EM2’’ elettromagnetica, ed ognuna di queste componenti presenterà una frequenza diversa dalla prima frequenza F. Tuttavia qui e nel seguito si prenderanno in considerazione solamente le seconde componenti EM2’’ generate da quei fenomeni di retrodiffusione ottica nella fibra 25 noti come “Effetto Raman spontaneo†, e che, come illustrato in figura A, comportano al primo ordine ottico, la creazione di due seconde componenti EM2’’ presentanti delle rispettive frequenze disposte in modo spettralmente simmetrico rispetto alla prima frequenza F portante. A questo punto à ̈ importante osservare che qui e nel seguito, con il termine “effetto Raman†si farà riferimento ad ogni fenomeno di scattering anelastico interpretabile, secondo la fisica quantistica, come l’interazione fra fotoni e fononi. In aggiunta, come appare chiaro dalla figura A, le seconde componenti EM2’’, che sono rispettivamente indicate come componenti di Stokes e Anti-Stokes Raman, presentano una potenza ottica nettamente inferiore alla prima componente EM2’ retrodiffusa elasticamente, che viene comunemente indicata come componente di Rayleigh. L’emissione di ogni seconda radiazione EM2’’ presenterà una durata sostanzialmente doppia rispetto al tempo necessario per ogni impulso P per attraversare l’intera fibra ottica. La durata T fra l’emissione di due impulsi successivi dovrà essere maggiore rispetto al tempo necessario per ogni impulso P per attraversare l’intera fibra ottica e ritornare indietro, per evitare sovrapposizioni delle seconde radiazioni EM2’’ corrispondenti a treni di impulsi successivi. Il rapporto tra l’intensità della riga AS retro-diffusa e l’intensità della riga S retro-diffusa dipende dalla temperatura e può quindi essere utilizzato per estrarre la distribuzione spaziale lineare di temperatura lungo la fibra ottica, eliminando inoltre effetti spuri di perdite localizzate lungo la fibra 25, che potrebbero erroneamente essere interpretate come variazioni di temperatura. A questo punto, sempre con riferimento alla figura 1, à ̈ opportuno osservare che il blocco 37 comprende un filtro ottico che consente agli impulsi P di essere accoppiati in fibra ottica 25, e alle componenti EM2’’ retro-diffuse di essere separate spettralmente in componenti S e AS Raman ed essere quindi inviate a due stadi di rilevazione, blocchi 18 e 19 in figura 1, che consentono di rilevare simultaneamente le due componenti S e AS Raman retrodiffuse. Le due componenti S e AS Raman retro-diffuse vengono convertite in corrente mediante fotodiodi di tipo preferibilmente a valanga (APD) e successivamente condizionati elettricamente dagli stadi elettronici 22 e 23, comprendenti amplificatori a trans-impedenza ed amplificatori di tensione a più stadi. At this point it should be noted that, during each retro-diffusion process, a plurality of distinct inelastic scattering phenomena can occur, each of which will be associated with the creation of a different EM2â € ™ â € ™ electromagnetic component, and each of these components will have a frequency different from the first frequency F. However, here and in the following we will consider only the second components EM2â € ™ â € ™ generated by those phenomena of optical backscattering in the fiber 25 known as â € œSpontaneous Raman effectâ €, and which, as illustrated in figure A, involve the creation of two second components EM2â € ™ â € ™ in the first optical order, having respective frequencies arranged in a spectrally symmetrical manner with respect to the first carrier frequency F. At this point it is important to note that here and in the following, the term â € œRaman effectâ € will refer to any inelastic scattering phenomenon that can be interpreted, according to quantum physics, as the interaction between photons and phonons. In addition, as is clear from figure A, the second components EM2â € ™ â € ™, which are respectively indicated as Stokes and Anti-Stokes Raman components, have a significantly lower optical power than the first elastically backscattered EM2â € ™ component, which it is commonly referred to as a Rayleigh component. The emission of every second EM2 radiationâ € ™ â € ™ will have a duration substantially double compared to the time required for each pulse P to cross the entire optical fiber. The duration T between the emission of two successive pulses must be greater than the time required for each pulse P to cross the entire optical fiber and return back, to avoid overlapping of the second EM2 radiations corresponding to trains of successive pulses. The relationship between the intensity of the back-scattered AS line and the intensity of the back-scattered S line depends on the temperature and can therefore be used to extract the linear spatial distribution of temperature along the optical fiber, also eliminating spurious effects of localized losses along the fiber 25, which could erroneously be interpreted as temperature variations. At this point, again with reference to Figure 1, it should be noted that block 37 includes an optical filter that allows the pulses P to be coupled to optical fiber 25, and the EM2â € ™ â € ™ retro-diffused components to be spectrally separated into S and AS Raman components and then sent to two detection stages, blocks 18 and 19 in Figure 1, which allow to simultaneously detect the two backscattered S and AS Raman components. The two retro-diffused S and AS Raman components are converted into current by preferably avalanche type photodiodes (APDs) and subsequently electrically conditioned by electronic stages 22 and 23, comprising trans-impedance amplifiers and multi-stage voltage amplifiers.
Una volta condizionati, i segnali elettrici corrispondenti alle due componenti S e AS Raman retrodiffuse possono essere digitalizzati dal sistema di acquisizione 27 controllato dall’elaboratore elettronico 50. Once conditioned, the electrical signals corresponding to the two backscattered S and AS Raman components can be digitized by the acquisition system 27 controlled by the computer 50.
A questo punto à ̈ anche opportuno ricordare che à ̈ ben noto il fenomeno per cui, quando un impulso elettromagnetico viene trasmesso lungo una rispettiva fibra ottica ed incontra lungo il suo cammino un sensore puntuale in fibra ottica quale un FBG, parte della intensità incidente verrà retro-riflessa verso il ricevitore qualora la lunghezza d’onda della radiazione incidente corrisponda alla banda di riflessione del FBG. E’ anche noto che, come illustrato schematicamente in figura B, l’impiego di particolari FBG operanti come filtri lineari, la cui forma spettrale può essere scelta in modo tale da fare corrispondere alla stretta riga della sorgente di impulsi una zona quasi-lineare di riflessione dell’FBG, permette di effettuare misure dinamiche di vari parametri, quali strain e temperatura, ma anche pressione e portata mediante opportuni trasduttori. Tali FBG operanti come filtri lineari, caratterizzati da bassa riflettività e con zona quasi-lineare della loro riflettività centrata sulla lunghezza d’onda degli impulsi P, possono essere utilmente interrogati utilizzando tecniche di tipo TDM, nelle quali gli impulsi P raggiungono in istanti di tempo successivi i vari FBG, con caratteristiche spettrali statiche sostanzialmente identiche fra loro, e posizionati lungo la sonda 26 in posizioni considerate critiche nelle quali si vogliano effettuare misure dinamiche. Le variazioni spettrali dei singoli FBG, indotte da fenomeni dinamici locali presenti lungo il corpo 100, e dovute per esempio a sollecitazioni dinamiche lungo un binario o a vibrazioni lungo un ponte o un viadotto, vengono tradotte in variazioni di intensità al ricevitore, rilevabili ad intervalli di tempo diversi e corrispondenti ai vari FBG in posizioni spaziali disgiunte lungo il corpo 100. At this point it is also worth remembering that the phenomenon is well known whereby, when an electromagnetic pulse is transmitted along a respective optical fiber and encounters along its path a point sensor in optical fiber such as an FBG, part of the incident intensity will be retro-reflected towards the receiver if the wavelength of the incident radiation corresponds to the reflection band of the FBG. It is also known that, as illustrated schematically in figure B, the use of particular FBGs operating as linear filters, whose spectral form can be chosen in such a way as to make a quasi- linear reflection of the FBG, it allows to carry out dynamic measurements of various parameters, such as strain and temperature, but also pressure and flow rate by means of suitable transducers. Such FBGs operating as linear filters, characterized by low reflectivity and with a quasi-linear zone of their reflectivity centered on the wavelength of the P pulses, can be usefully interrogated using TDM-type techniques, in which the P pulses reach in instants of successive time the various FBGs, with static spectral characteristics substantially identical to each other, and positioned along the probe 26 in positions considered critical in which dynamic measurements are to be carried out. The spectral variations of the individual FBGs, induced by local dynamic phenomena present along the body 100, and due for example to dynamic stresses along a track or to vibrations along a bridge or viaduct, are translated into intensity variations at the receiver, detectable at intervals of time different and corresponding to the various FBGs in disjoint spatial positions along the body 100.
A questo punto, sempre con riferimento alla figura 1, à ̈ opportuno osservare che il blocco 38 comprende un circolatore ottico che consente agli impulsi P di essere accoppiati in fibra ottica 26, e alle componenti retroriflesse dai vari FBG lungo la fibra 26 di essere inviate allo stadio di rilevazione, blocco 17, che consente di rilevare la riflessione EM3’, comprendente le intensità retro-riflesse dai vari FBG che, posizionati in porzioni spazialmente disgiunte lungo la fibra 26, arriveranno ad istanti diversi al ricevitore. La riflessione EM3’ può essere utilizzata anche per misura OTDR della retro-diffusione Rayleigh lungo la fibra 26. La traccia OTDR e le retro-riflessioni corrispondenti ai vari FBG vengono convertite in corrente mediante il fotodiodo 30 di tipo PIN e successivamente processate elettricamente dall’adattatore elettrico 32, comprendente amplificatori elettronici a trans-impedenza ed amplificatori di tensione a più stadi. At this point, again with reference to Figure 1, it should be noted that block 38 comprises an optical circulator which allows the pulses P to be coupled to optical fiber 26, and to the components retroreflected by the various FBGs along the fiber 26 to be sent at the detection stage, block 17, which allows to detect the reflection EM3â € ™, comprising the back-reflected intensities from the various FBGs which, positioned in spatially disjoint portions along the fiber 26, will arrive at different instants at the receiver. The EM3â € ™ reflection can also be used for OTDR measurement of the Rayleigh back-scattering along the fiber 26. The OTDR trace and the retro-reflections corresponding to the various FBGs are converted into current by means of the PIN-type photodiode 30 and subsequently electrically processed by the € ™ electrical adapter 32, comprising trans-impedance electronic amplifiers and multi-stage voltage amplifiers.
L'adattatore elettrico 17 non à ̈ previsto nella seconda preferita forma di attuazione dell’apparato di misura di figura 1. In tale seconda forma, illustrata in figura 2, la misura distribuita di temperatura sulla sonda 25 prevede l'utilizzo della retro-diffusione di Rayleigh per distinguere le variazioni di temperatura dalle variazioni di perdita lungo la stessa sonda 25. A tale fine non à ̈ prevista l'acquisizione della componente retro-diffusa Stokes, la componente retro-diffusa EM3' costituisce l'ingresso all'adattatore elettrico 19 e il filtro ottico 37 non seleziona in ricezione entrambe le righe anti-Stokes e Stokes, come quello presente nell'apparato illustrato in figura 1, ma solamente la riga anti-Stokes. Nella suddetta seconda preferita forma l'adattatore elettrico 19, basato su fotodiodo a valanga APD, sostituisce interamente l'adattatore 17 nella fotorivelazione delle retro-riflessioni dei vari FBG e della componente Rayleigh provenienti dalla sonda in fibra ottica 26. Una volta convertite in segnali elettrici, le tracce OTDR e le retro-riflessioni dei vari FBG possono essere acquisite dal sistema di acquisizione 26 controllato dall’elaboratore elettronico 50. The electric adapter 17 is not provided in the second preferred embodiment of the measuring apparatus of figure 1. In this second form, illustrated in figure 2, the distributed temperature measurement on the probe 25 provides for the use of the rear Rayleigh diffusion to distinguish temperature variations from loss variations along the same probe 25. For this purpose, the acquisition of the Stokes retro-diffuse component is not envisaged, the EM3 'retro-diffuse component constitutes the input to the adapter electric 19 and the optical filter 37 does not select both the anti-Stokes and Stokes lines in reception, like the one present in the apparatus illustrated in Figure 1, but only the anti-Stokes line. In the aforementioned second preferred form the electrical adapter 19, based on an APD avalanche photodiode, completely replaces the adapter 17 in the photodetection of the retro-reflections of the various FBGs and of the Rayleigh component coming from the optical fiber probe 26. Once converted into signals electrical traces, the OTDR traces and the retro-reflections of the various FBGs can be acquired by the acquisition system 26 controlled by the electronic processor 50.
Si noti che il funzionamento di FBG come filtro lineare, descritto schematicamente nella figura B, à ̈ basato sul fatto che variazioni spettrali della riflettività di ciascun FBG vengono tradotte direttamente in variazioni di intensità al ricevitore. E’ quindi in linea di principio possibile misurare le variazione spettrali di ciascun FBG, e risalire quindi alle conseguenti variazioni dinamiche locali di strain e temperatura, conoscendo le rispettive sensibilità dell’FBG che sono tipicamente di 1 pm/µÎµ e di 11 pm/°C. Note that the operation of FBG as a linear filter, schematically described in Figure B, is based on the fact that spectral variations in the reflectivity of each FBG are translated directly into intensity variations at the receiver. It is therefore in principle possible to measure the spectral variations of each FBG, and therefore to trace the consequent local dynamic variations of strain and temperature, knowing the respective sensitivities of the FBG which are typically 1 pm / µÎµ and 11 pm / ° C.
Esistono tuttavia due problemi pratici da affrontare che risultano essere la dipendenza incrociata da temperature e strain e l’effetto di variazione di intensità spurie indotte lungo il cavo che potrebbero essere confuse per variazioni di temperature e/o strain. However, there are two practical problems to be addressed which appear to be the cross dependence on temperatures and strain and the effect of spurious intensity variation induced along the cable which could be confused for variations in temperature and / or strain.
Per quanto riguarda la dipendenza incrociata da temperature e strain, sono note varie tecniche in letteratura per risolvere il problema, fra cui l’utilizzo di due FBG posti spazialmente in prossimità del punto di interrogazione, uno solidale con la struttura, corpo 100, e quindi affetto sia da temperatura che strain, e l’altro solo in prossimità e quindi affetto solo da temperatura. Opportune calibrazioni consentono di estrarre sia la temperatura che lo strain. La presente invenzione consente di utilizzare la misura locale di temperatura ricavata mediante la misura distribuita sulla sonda 25 per eliminare la dipendenza spettrale degli FBG disposti lungo la sonda 26 dalla temperatura, permettendo così l'utilizzo di un unico FBG per ogni misura puntuale di strain dinamico. As regards the cross dependence on temperatures and strain, various techniques are known in the literature to solve the problem, including the use of two FBGs placed spatially near the interrogation point, one integral with the structure, body 100, and therefore affected by both temperature and strain, and the other only in proximity and therefore affected only by temperature. Appropriate calibrations allow to extract both the temperature and the strain. The present invention makes it possible to use the local temperature measurement obtained by means of the measurement distributed on the probe 25 to eliminate the spectral dependence of the FBGs arranged along the probe 26 on the temperature, thus allowing the use of a single FBG for each punctual strain measurement. dynamic.
Per quanto riguarda variazioni di intensità spurie indotte lungo il cavo che potrebbero essere confuse per variazioni di temperature e/o strain à ̈ possibile seguire due approcci: il primo consiste nell’utilizzare la traccia OTDR misurata dalla riflessione del cavo 26 come riferimento per eliminare l’effetto di tali perdite spurie; il secondo consiste nell’utilizzare localmente due FBG caratterizzati da pendenza opposta della loro riflettività quasi-lineare ed interrogarli mediante sorgente a banda stretta. Una opportuna ricezione differenziale dei segnali retro-riflessi dai due FBG consente di distinguere perdite spurie, caratterizzate da attenuazione di entrambe le intensità retro-riflesse dai due FBG, da effettive variazioni spettrali dei due FBG, caratterizzate da variazioni opposte delle intensità retro-riflesse dai due FBG a pendenza opposta (si veda la figura C). As for spurious intensity variations induced along the cable that could be confused for variations in temperature and / or strain, it is possible to follow two approaches: the first is to use the OTDR trace measured by the reflection of the cable 26 as a reference to eliminate the effect of such spurious losses; the second consists in using locally two FBGs characterized by opposite slope of their quasi-linear reflectivity and interrogating them by means of a narrow band source. An appropriate differential reception of the retro-reflected signals from the two FBGs makes it possible to distinguish spurious losses, characterized by attenuation of both retro-reflected intensities from the two FBGs, from actual spectral variations of the two FBGs, characterized by opposite variations of the retro-reflected intensities from the two opposite slope FBGs (see figure C).
L’elaboratore 50 à ̈ anche atto a processare i dati acquisiti, ad ottenere quindi il profilo di temperatura distribuito lungo la fibra 25, utilizzando le formule matematiche descritte per esempio nel documento D, e ad ottenere le variazioni dinamiche della riflettività dei vari FBG, direttamente legate alle variazioni dinamiche di temperature e strain locali, mediante tecniche di interrogazione nel dominio del tempo descritte per esempio nel documento E. The processor 50 is also suitable for processing the acquired data, thus obtaining the temperature profile distributed along the fiber 25, using the mathematical formulas described for example in document D, and for obtaining the dynamic variations of the reflectivity of the various FBGs , directly related to the dynamic variations of local temperatures and strains, by means of time domain interrogation techniques described for example in document E.
A questo punto, à ̈ opportuno ricordare che all’apparato di misura qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione. At this point, it should be remembered that modifications and variations may be made to the measuring apparatus described and illustrated here without thereby departing from the protective scope of the present invention.
A questo punto, dopo aver illustrato una preferita forma di attuazioni e una variante dell’apparato 1 di misura, à ̈ opportuno ricordare che la presente invenzione à ̈ relativa anche a metodi di misura eseguibili mediante l’apparato 1 ed atti a misurare la distribuzione lineare di almeno una grandezza fisica, ad esempio la temperatura, lungo tutta l’estensione lineare della sonda, fibra ottica 25, e le variazioni dinamiche di almeno una grandezza fisica, ad esempio lo strain, in posizioni specifiche lungo la sonda 26 dove sono stati inseriti FBG a contatto con il corpo 100. At this point, after having illustrated a preferred embodiment and a variant of the measuring apparatus 1, it should be remembered that the present invention also relates to measurement methods which can be carried out by means of the apparatus 1 and suitable for measuring the linear distribution of at least one physical quantity, for example the temperature, along the entire linear extension of the probe, optical fiber 25, and the dynamic variations of at least one physical quantity, for example the strain, in specific positions along the probe 26 where FBGs in contact with the body have been inserted 100.
In particolare tali metodi comprendono tecniche di misure basate su riflettometria nel dominio del tempo (OTDR) ed interrogazione di FBG a bassa riflettività mediante multiplazione nel dominio del tempo (TDM). In particular, these methods include measurement techniques based on time domain reflectometry (OTDR) and interrogation of low reflectivity FBG by time domain multiplexing (TDM).
Nei metodi di misura à ̈ prevista innanzi tutto la fase di generare una radiazione elettromagnetica di pompaggio ottico mediante la sorgente di impulsi 10 in figura 1 a frequenza di ripetizione costante. A questo punto, il metodo di misura secondo la presente invenzione prevede una fase di trasmettere la sequenza di impulsi P associata alla radiazione EM1 sia lungo una sonda 25 che la sonda 26, entrambe di estensione L determinata, e la fase di ricevere, per ogni impulso P, le seconde radiazioni elettromagnetiche EM2’’ retro-diffuse anelasticamente per effetto Raman spontaneo, da almeno una porzione della sonda 25 e la radiazione EM3’ comprendente la retro-riflessione da parte di almeno un FBG posizionato a contatto del corpo 100 lungo la sonda 26 ed eventualmente la retro-diffusione Rayleigh da parte della sonda 26. In the measurement methods, the step of generating an optical pumping electromagnetic radiation by means of the pulse source 10 in Figure 1 at constant repetition frequency is first of all envisaged. At this point, the measurement method according to the present invention provides a step of transmitting the sequence of pulses P associated with the EM1 radiation both along a probe 25 and the probe 26, both having a determined extension L, and the phase of receiving, for each pulse P, the second electromagnetic radiation EM2â € ™ â € ™ retro-diffused inelastically due to the spontaneous Raman effect, from at least a portion of the probe 25 and the EM3 radiationâ € ™ including the retro-reflection by at least one FBG positioned in contact with the body 100 along the probe 26 and possibly the Rayleigh retro-diffusion by the probe 26.
A questo punto, il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende almeno una fase di misurare la variazione nel tempo di componenti retro-diffuse per ricavare una misura statica di temperatura associata ad ogni porzione della sonda 25 e una misura dinamica puntuale di parametri fisici associati al corpo 100 quali lo strain. At this point, the measurement method according to the present invention comprises at least one step of measuring the variation over time of retro-diffused components to obtain a static measurement of the temperature associated with each portion of the probe 25 and a precise dynamic measurement of associated physical parameters to the body 100 such as the strain.
A questo punto si può precisare che la fase di convertire le componenti retro-diffuse anelasticamente per effetto Raman ed elasticamente per effetto Rayleigh in segnali elettrici può essere ripetuta un numero k di volte, al termine del quale può essere effettuato un processo di media per ottenere un rapporto segnale su rumore significativamente più elevato. At this point it can be specified that the phase of converting the retro-diffused components inelastically due to the Raman effect and elastically by the Rayleigh effect into electrical signals can be repeated a number k of times, at the end of which an averaging process can be carried out to obtain a significantly higher signal-to-noise ratio.
Infine, il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende la fase di calcolare la distribuzione lineare della temperatura associata alla sonda 25, e quindi a delle rispettive porzioni contigue del corpo 100, applicando alle funzioni numeriche delle formule empiriche note e per la conoscenza delle quali si rimanda al documento D. Il metodo di misura secondo la presente invenzione comprende inoltre la fase di calcolare le variazioni temporali di grandezze fisiche quali lo strain in posizioni discrete del corpo 100 lungo la sonda 26, applicando alle funzioni numeriche delle formule empiriche note e per la conoscenza delle quali si rimanda al documento E. Finally, the measurement method according to the present invention comprises the step of calculating the linear distribution of the temperature associated with the probe 25, and therefore with the respective contiguous portions of the body 100, by applying known empirical formulas to the numerical functions and for the knowledge of which see document D. The measurement method according to the present invention further comprises the step of calculating the temporal variations of physical quantities such as the strain in discrete positions of the body 100 along the probe 26, applying known empirical formulas to the numerical functions and for the knowledge of which is referred to in document E.
Le caratteristiche del metodo di misura secondo la presente invenzione risultano chiare da quanto sopra descritto e non richiedono ulteriori chiarimenti; tuttavia può essere opportuno presentare alcuni ulteriori vantaggi derivanti dall’impiego simultaneo di una singola sorgente di impulsi per la simultanea misura distribuita di temperatura lungo strutture di elevate dimensioni, e il contemporaneo monitoraggio dinamico di sensori puntuali in fibra ottica quali FBG posizionati in punti critici della struttura medesima. Oltre a rendere applicabile commercialmente tali apparati ad un numero elevato di applicazioni in settori industriali strategici quali l’energia, l’ambiente, il monitoraggio strutturale, la sicurezza e la difesa, l’impiego di una singola sorgente fornisce un apparato optoelettronico altamente integrato in quanto la proposta tecnica TDM di interrogazione di FBG di tipo filtro lineare non richiede sostanzialmente componentistica ottica aggiuntiva se non un divisore di potenza ed un circolatore ottico. La tecnica proposta consente di eliminare efficacemente la dipendenza spettrale incrociata degli FBG da strain e temperatura utilizzando la misura statica distribuita di temperatura ottenuta tramite scattering Raman lungo la sonda 25. In tal modo à ̈ possibile utilizzare efficacemente un singolo FBG in ogni punto di misura di strain dinamico. Inoltre la scelta preferita di operare a 1550 nm con sorgente impulsata accoppiata in fibra monomodale, particolarmente indicata all’interrogazione dinamica di FBG, può utilmente utilizzare componenti commerciali disponibili per comunicazioni ottiche consentendo di ridurre ulteriormente i costi dell’apparato e garantendo elevata affidabilità del sistema; infine, a causa della bassa attenuazione delle fibre ottiche in silica in terza finestra (intorno a 1550 nm) tale scelta consente di massimizzare le prestazioni di entrambe le misure, sia quella statica che dinamica, in termini di distanza di sensing, caratteristica non ottenibile qualora si seguissero le scelte tipiche dei sistemi commerciali di misura distribuiti di temperatura basati su effetto Raman, tipicamente operanti in bande spettrali differenti ed utilizzanti diodi laser ad elevate area di emissione a 980 nm e a 1064 nm. The characteristics of the measurement method according to the present invention are clear from what has been described above and do not require further clarifications; however it may be appropriate to present some further advantages deriving from the simultaneous use of a single pulse source for the simultaneous distributed measurement of temperature along large structures, and the simultaneous dynamic monitoring of point sensors in optical fiber such as FBG positioned in critical points of the structure itself. In addition to making these devices commercially applicable to a large number of applications in strategic industrial sectors such as energy, the environment, structural monitoring, security and defense, the use of a single source provides an optoelectronic device highly integrated since the TDM technical proposal of linear filter type FBG interrogation does not substantially require additional optical components other than a power divider and an optical circulator. The proposed technique allows to effectively eliminate the cross spectral dependence of the FBGs on strain and temperature by using the static distributed measurement of temperature obtained by Raman scattering along the probe 25. In this way it is possible to effectively use a single FBG in each measuring point of dynamic strain. Furthermore, the preferred choice of operating at 1550 nm with a pulsed source coupled in singlemode fiber, particularly suitable for dynamic interrogation of FBG, can usefully use commercial components available for optical communications, allowing to further reduce the costs of the apparatus and guaranteeing high reliability. of the system; finally, due to the low attenuation of the optical fibers in silica in the third window (around 1550 nm), this choice allows to maximize the performance of both measures, both static and dynamic, in terms of sensing distance, a characteristic that cannot be obtained if the typical choices of commercial distributed temperature measurement systems based on the Raman effect were followed, typically operating in different spectral bands and using laser diodes with a high emission area at 980 nm and 1064 nm.
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2010
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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