Sensores de fibra óptica codificados en frecuenciamedida de voltaje y corriente

Resumen

Las ventajas de los sensores de fibra óptica resuelven muchos de los inconvenientes presentados por los dispositivos de medida tradicionales. En el caso de la medida de voltaje y corriente, resultan especialmente interesantes características como el carácter dieléctrico de la fibra óptica y su inmunidad frente a la interferencia electromagnética, ya que eliminan la necesidad de incorporar complejos sistemas de aislamiento, que muchas veces incluyen sustancias peligrosas o contaminantes. Esta tesis muestra una nueva concepción de sensores de fibra óptica de voltaje y corriente, para señales de corriente alterna y sistemas de alta tensión, cuya característica principal es la codificación en frecuencia de la medida. El tipo de codificación utilizado soluciona los problemas asociados con las múltiples causas que perturban la intensidad de la luz en un sistema de fibra óptica (como el envejecimiento de la fuente de luz o el desajuste de conectores), y que suelen afectar a los sensores codificados en amplitud. En el desarrollo de los sistemas propuestos se ha tenido en cuenta su aplicación final en las redes de distribución de energía eléctrica. La modulación de fase de una señal de luz que se propaga por una fibra óptica monomodo modifica las propiedades de su espectro en frecuencia. La información sobre la modulación de fase aplicada aparece como una codificación en frecuencia en su espectro, que podemos recuperar mediante un proceso de detección coherente. Una manera sencilla de realizar un procedimiento de detección homodina consiste en construir una configuración interferométrica Mach-Zehnder. Aunque los sensores presentados constituyen un interferómetro de este tipo, la medida se mantiene insensible a la deriva de fase o a los desajustes de polarización, gracias a las propiedades de la codificación utilizada. Además, la configuración Mach-Zehnder nos permite obtener de forma sencilla sensores que calculan ópticamente la suma y resta de señales, como comprobamos experimentalmente. El punto esencial en que se sustenta esta nueva propuesta de sensor codificado en frecuencia es la posibilidad de emplear moduladores de fase de alta eficiencia y elevado rango dinámico controlados por voltaje o corriente, para conseguir así sensores de gran sensibilidad. Conseguimos este objetivo mediante la utilización de transductores formados por cerámicas piezoeléctricas y materiales magnetostrictivos, sobre los que bobinamos una gran longitud de fibra. Estos materiales experimentan una deformación cuando se les aplica un campo eléctrico o magnético respectivamente, generando una tensión mecánica en la fibra bobinada sobre ellos. Hemos prestado una especial atención a los bobinados de fibra sobre tubos piezoeléctricos. De hecho, hemos desarrollado un modelo teórico sencillo que predice la modulación de fase generada en función de las características particulares de los tubos empleados, que ha sido verificado experimentalmente con los resultados obtenidos a partir de elementos de diferentes geometrías y tipos de material. En total, hemos bobinado treinta tubos piezoeléctricos. Por su parte, los sensores fundamentados en la magnetostricción están formados por núcleos de acero al silicio, de los empleados en los transformadores de medida de corriente. Muchos de los bobinados sobre tubos piezoeléctricos contienen múltiples capas de fibra, incrementándose todavía más su eficiencia. La construcción de bobinados multicapa de gran calidad y eficiencia, sin pérdidas de luz significativas, ha sido posible gracias a una bobinadora semiautomática diseñada y construida por nosotros. La memoria describe el trabajo de montaje de los diferentes conjuntos sensores y muestra las dos técnicas de calibración básica empleadas: la medida de la frecuencia media de modulación de la luz (mediante el recuento de las franjas de interferencia en un semiperíodo con un contador) y de su anchura espectral, utilizando un analizador de espectro eléctrico. También se estudian otros procedimientos para caracterizar los sensores construidos (curvas de histéresis y respuesta en frecuencia). Los diferentes resultados conseguidos verifican el comportamiento lineal y sin histéresis de los transductores piezoeléctricos, y el comportamiento no lineal y con una histéresis acusada de los transductores magnetostrictivos. Esta tesis también aborda la estabilidad térmica de los sensores, relevante para la aplicación práctica de los sistemas que, al tener que trabajar a la intemperie, estarán sometidos a temperaturas que oscilan entre los 30 y los +70 ºC. Hemos identificado la contribución principal a la dependencia con la temperatura de la modulación de fase, que para tubos como los empleados proviene de la variación del coeficiente piezoeléctrico d31, frente a la que el resto de contribuciones resulta despreciable. Hemos estudiado experimentalmente esta dependencia de la respuesta de nuestros dispositivos de medida con la temperatura. Con una cámara de temperatura hemos medido el comportamiento de sensores montados con cuatro tipos distintos de cerámicas piezoeléctricas, y de los núcleos magnéticos, y lo hemos comparado con las especificaciones aportadas por los fabricantes de esos materiales. Basándonos en estos resultados, proponemos y demostramos experimentalmente un método de compensación pasiva de la dependencia con la temperatura del sensor de voltaje, reduciéndola a una variación del ±1%. El método está basado en la utilización de materiales piezoeléctricos de opuesto coeficiente térmico. Asimismo, desarrollamos una propuesta de medida simultánea de la temperatura para corregir sus efectos en los datos de voltaje. Finalmente, la forma específica de codificación del sensor nos facilita el desarrollo de métodos sencillos de decodificación de la salida del sistema, con el objetivo de poder medir tanto la amplitud de las señales de voltaje y corriente como su forma en función del tiempo. Con los programas informáticos que hemos implementado, demostramos la posibilidad de recuperación en tiempo real de las señales de excitación de los sensores de voltaje, tanto si son perfectamente sinusoidales como si se trata de señales realistas claramente inarmónicas, mientras que la histéresis y no linealidad de los materiales magnetostrictivos dificulta la aplicación de estos métodos al sensor de corriente. __________________________________________________________________________________________________ SUMARY Optical fiber sensors present several advantages over conventional techniques for high voltage and current metering, mainly due to their immunity to electromagnetic interference and easier insulation. This work proposes a frequency-output fiber optic sensor for power systems, based on the linear piezoelectric effect of PZT ceramic tubes (voltage sensor) and the magnetostriction of the cores of traditional commercially available current transformers (current sensor). A long length of single-mode fiber is coiled onto the piezoelectric tubes or the magnetic cores and a Mach-Zehnder interferometer interrogates their deformation when a voltage or current signal, respectively, is applied. The output of the interferometer is a frequency-modulated signal whose spectral bandwidth can be correlated with the voltage or the current amplitude. Since the measurement is obtained from the frequency features of the optical signal, the system is insensitive to light power fluctuations and to some typical shortcomings of fiber-optic interferometric sensors such as phase drift and polarization fading. The thesis first develops the basis of the frequency codified output configuration, and then the implementation of high performance phase modulators, by using efficient piezoelectric and magnetostrictive transducers, is examined. Next, the results concerning two main calibration procedures are shown. These methods involve the average frequency of the optical modulation (related to the number of fringes in the interferometer output) and the measurement of its spectral bandwidth. The vector addition and subtraction of ac electric signals through the optical system has also been demonstrated. The response to temperature of our sensors has been thoroughly studied. The main contribution to the temperature sensitivity of the voltage sensor comes from the temperature coefficient of the piezoelectric constants of the ceramic tubes. The combination of different piezoelectric materials is successfully exploited to passively compensate the temperature response of the sensor. Owing to this compensation, the deviations of the voltage sensors response due to temperature changes are within ?1% over the temperature range between 35 and 70 ºC. Finally, the real-time reconstruction of the electric signals is investigated, leading to two techniques that recover the ac voltage signal waveform