MODELO DE LA ATENUACION DE LUZ EN UNA FIBRA OPTICA COMO CONSECUENCIA DE LA ABSORCION DE HIDROGENO

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1 XXV Jornaas e Automátca Cua Real, el 8 al e septembre e 4 MODELO DE LA ATENUACION DE LUZ EN UNA FIBRA OPTICA COMO CONSECUENCIA DE LA ABSORCION DE HIDROGENO M. Alexanre, P. Correera, M.L. Hernanz, J.P. Blanco, J. Lozano, J. Guterrez-Monreal. Resumen La fbra óptca absorbe hrógeno el meo ambente. Esta absorcón conlleva un cambo en la atenuacón óptca a etermnaas frecuencas. Esta atenuacón se puee usar como mecansmo sensor. El proceso e absorcón e hrógeno por la fbra es muy lento y un moelo sobre el que trabajar resulta muy convenente. En este trabajo se esarrolla cho moelo. Palabras Clave: Sensor e Hrógeno. Moelao. Fbra óptca. INTRODUCCIÓN. Una fbra nmersa en una atmósfera con H sufre un cambo en su espectro e absorcón [5]. Este cambo es ebo a que el hrogeno se fune en la fbra, orgnano absorcones a versas frecuencas. Este fenómeno ben conoco orgna problemas en la transmsón e atos a la nustra e las telecomuncacones. Los estuos realzaos hasta ahora se centran en el estuo e este fenómeno como un problema [9][4]. Sn embargo ebo a que algunas e estas absorcones son reversbles y epenen e la concentracón exteror e hrógeno pueen ser utlzaas como mecansmos sensores. En este trabajo se realza un moelo e la fbra óptca nmersa en hrógeno para su uso como sensor. Un sensor e fbra óptca sn nngún tratamento especal n mecanzao e nngún tpo presenta mportantes ventajas frente a otros sensores e hrógeno sponbles [][][6][7][8]. Entre ellas un muy reuco coste, una alta resstenca a ambentes agresvos, la posbla e hacer meas localzaas e hrógeno meante técncas como la OTDR (Reflecometría óptca en el omno el tempo). Por otro lao como veremos más elante este sensor presenta una esventaja clara, su lenta veloca e respuesta. Sn embargo este sensor se aapta perfectamente a la mea e hrógeno en cementeros e resuos nucleares en los cuales no se espera bruscos cambos e concentracón e hrogeno sno constantes aumentos y en one el ambente puee ser altamente agresvo. Este trabajo se esarrolla con fonos el proyecto europeo Safety an Operatonal Montorng of Nuclear Waste Repostores wth Fber Optc Sensng Systems (SOMOS) y en este contexto el sensor e fbra óptca e hrógeno es una excelente propuesta. Debo a los largos tempos e respuesta e este sensor los expermentos son poco práctcos y un moelo que sea capaz e smular su respuesta es extremaamente útl en su estuo. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL En la fgura se puee ver el spostvo expermental usao para mer la evolucón el espectro e absorcón urante la exposcón e la fbra a la atmósfera e hrógeno. Monocromaor Detector e ntensa Fuente e luz blanca Fgura : Esquema el sstema expermental. La fuente e luz es una lámpara e ncanescente que proporcona luz blanca. Después un monocromaor se encarga e reucr la anchura espectral e esta luz. Esta luz es colmaa hasta la fbra y transmta por la fbra a través e 6.6 Km. e fbra enrollaa y meta en una cámara con hrógeno. Por últmo un etector se encarga e mer la ntensa lumínca. Con este spostvo e realzan barros para mer la ntensa lumínca ese 5 nm hasta 65 nm en los cuales estará comprenas las frecuencas e 45 nm y e 385 nm que son las e la absorcón el hrógeno molecular absorbo en la fbra y la e los efectos e OH nos nteresan. La cámara se llena e una mezcla e ntrógeno e hrógeno a concentracones el % y el 4%. Tras un llenao ncal e 5 horas e ml/mn la olla se cerra. Caa ía e abre la olla y el paso e gas para

2 rellenar posbles peras e hrógeno por fusón. El control el caual se hace meante un caualímetro y una caja e control. La fbra que usamos es IYU-T G.65 Fbra monomoo Stanar y tene las sguentes característcas: Longtu ona e corte, e.8 a.7 Dámetro el campo moal: 9.3µm (8- µm, toleranca %) Dámetro el núcleo: 9µm. Dámetro el revestmento: 5 µm (toleranca 3µm.) Atenuacón:.4 a B/Km en 3 nm. Atenuacón:.5 a.5b/km en 55 nm. 3 MEDIDAS Los otros os pcos, mucho más elevaos son ebos al hrógeno. En las longtues e ona alta se puee observar la cola e las absorcones el hrógeno que se proucen en el nfrarrojo. El pco a 45 es ebo al hrógeno molecular y el otro a los grupos OH que se forman en los efectos e la re el S O. La absorcón el hrogeno molecular es reversble mentras que la formacón e OH no [5]. En la fgura 3 se puee constatar este hecho. Aemás se puee ver que la generacón e OH se satura en la prmera en una muy breve fraccón e tempo e la absorcón el hrógeno molecular exposcón.. En esta msma fgura se puee observar que la absorcón el hrógeno s es totalmente reversble. Para etermnar la absorcón prmero se ebe realzar un barro ncal que usará como línea base. Después toas las lecturas se ven por esta ntensa, se saca el logartmo y se multplca por -. De esta forma obtenemos los ecbelos e peras. Para elmnar los posbles cambos globales e ntensa se restan los ecbelos e un punto fjo. En este caso la absorcón a 3 nm ebo a que no sufre nngún cambo ebo a las absorcones el hrógeno como se observa en la fgura. En la fgura se puee observar el cambo el espectro e absorcón e una fbra óptca tras 45 y 4 horas e exposcón a una atmósfera el % e hrógeno. Fgura 3: Evolucón e la absorcón e las frecuencas 45 nm y 385 nm. 4 MODELO El hrogeno penetra en la fbra meante un proceso e absorcón [9]. Este proceso esta rego por la ley fe Fck: j D C(, () Fgura : Espectro e absorcón e la fbra. Esta gráfca se correspone con el prmer llenao y en ella se observan 3 pcos e absorcón que aumentan con el tempo. El pco cerca e los 55 nm. no correspone a nngún pco ebo a hrógeno. Por su longtu e ona se correspone con CH 3 Cl posblemente generao en la exposcón el hrógeno con las colas usaas en el sellao e la cámara. Al cabo e 4 horas este compuesto esaparece y tambén lo hace su pco e absorcón. C(, j D () Aemás tenemos la ley e conservacón e la masa que ce: j C (3) t s Integrano en clínrcas en una capa concéntrca llegamos a: v

3 . Exteror F ext F F C C C 3 F nt Interor Flujo haca el punto central, nulo. r Concentracón en el exteror constante. r r3 C 3 C C F ext F F F nt Fgura 4. Esquema e scretzacón usao para la mplementacón el moelo. π L π L [ j(, ] [ ] C(, (4) Done hemos supuesto que la concentracón C se mantene constante en too el volumen para poer smplfcar la ntegracón. Usano la ecuacón e fnk () llegamos a la ecuacón (5). El prmer termno correspone a la fusón por caa cara e la capa concéntrca. El seguno es el cambo e masa total en el recnto encerrao por y C(, π L D π L [ ] C(, (5) Suponeno un cambo lneal e concentracón entre las capas: C π L D C π L [ ] C (6) Poemos usar esta ecuacón para realzar el moelo en Moelca. Para ello usamos el esquema e scretzacón mostrao en la fgura 4: Los bloques C representan la concentracón en caa segmento. La concentracón en caa uno e estos bloques solo vara con el flujo neto que entra y sale. Este cambo lo expresamos con la ecuacón (7). [ ] C Flujo π L (7)

4 Los bloques F representan el flujo en caa una e las caras. El flujo solo epene e la ferenca e concentracón entre os bloques C contguos. La ecuacón (8) expresa el flujo. Flujo C π L D C (8) Como concones aconales en el exteror la concentracón es constante y en el nteror el flujo se hace ya que el hrógeno no puee escapar a nngún lao. En la fgura 4 se pueen ver la fgura e cómo se representan los ferentes valores para la sposcón clínrca que tenemos. El campo eléctrco e la luz en una fbra mono-moo vene aa por: / w ( ωt βz) E E e e (9) / w P( ) P e (3) La atenuacón entonces será: α A C P( ) / P S (4) w α A C e S (5) w π El moelo se ha mplementao en moelca y se ha ejecutao en Dymola 5. 5 SIMULACIÓN Una ver realzao el moelo lo smulamos y comparamos los resultaos con el expermento real. Los resultaos e un expermento realzao con el 4% e hrogeno y la smulacón se puee ver en la fgura 5. t / La absorcón entonces venrá aa por la sguente ecuacón: a / w α π k C( r, e () Para obtener el cambo en la atenuacón eba a la concentracón e gas hrógeno suponemos que el ncremento en la atenuacón solo epene e la concentracón y aemás e forma lneal [9]. α AC(H ) () Done A es el coefcente e sensbla e la fbra a la atenuacón por hrógeno. En el esarrollo anteror tenemos la fbra va en capas con ferentes concentracones epenentes el tempo. La nfluenca relatva e esa capa vene aa por la fraccón e flujo e ntensa lumínca en caa capa que contene. Por tanto, para averguar el ncremento total e la ntensa lumínca ebemos sumar la contrbucón e toas las capas. Al ser una fbra mono-moo usamos la aproxmacón usual e campo gausano. / w ( ωt βz) E E e e () Done w es la anchura e campo moal que en nuestro caso es e 9.3 µm. La potenca entonces vene aa por: Fgura 5: Valores expermentales para el 6% e hrógeno y smulacón. 6 CONCLUSIONES Hemos esarrollao un moelo el sensor cuyos resultaos concueran con los e las meas expermentales. Sobre este moelo se puee realzar cambos en versos factores como temperatura, concentracón e hrogeno exteror y preecr el comportamento e la fbra bajo esas varacones sn tener que llevar a cabo costosos y largos expermentos. Aemás sobre este moelo se pueen construr moelos aconales e absorcón e ferentes especes como metano u otros gases que cuyo estuo puee ser nteresante. Agraecmentos Este trabajo no se habría poo realzar sn los fonos el proyecto europeo SOMOS (FIKW- CT-9).

5 Referencas [] Anreas Manels an Jose A. Garca, P/PVDF thn flm hyrogen sensor base on laser-ampltue-moulate optcaltransmttance: epenence on H concentraton an evce physcs, Sensors an Actuators B: Chemcal, Volume 49, 58-67, (998). [] Boonsong Sutapun, Massoo Tabb-Azar an Alex Kazem, P-coate elastooptc fber optc Bragg gratng sensors for multplexe hyrogen sensng, Sensors an Actuators B: Chemcal, Volume 6, 7-34, (999). [3] F. J. Franco, J. Lozano, J. P. Santos, A. Agapto. "Degraaton of Instrumentaton Amplfers Due to the Nontorzng Energy Loss Damage". IEEE Transactons On Nuclear Scence, Vol 56, (3). [4] J. Cannng, M. Åslun, an P-F. Hu, Ultravolet-nuce absorpton losses n hyrogen-loae optcal fbers an n presenstze optcal fbers, Optcs Letters, Vol. 5 Issue Page 6 (). [5] J. Stone, "Interactons of Hyrogen an Deuterum wth Slca Optcal Fbers: A Revew", Journal of Lghtwave Thecnology, Vol LT 5 No 5. May 987. [6] M. A. Butler, Fber Optc Sensor for Hyrogen Concentratons Near the Explosve Lmt, J. Electrochem. Soc, vol 38, nº9, (99). [7] Mchael A. Butler, Mcromrror optcal-fber hyrogen sensor, Sensors an Actuators B: Chemcal, Volume, 55-63, (993). [8] X. Bevenot, A. Troullet, C. Vellas, H. Gagnare an M. Clement, Surface plasmon resonance hyrogen sensor usng an optcal fbre, Measurement Scence Technology 3 8-4, (). [9] Y. Namhra, K. Mochzuk an M. Kuwazuru. "Temperature epenence of the hyrogenffuson constant n optca fbers", Optcal letters Vol 9, No 9. September 984.

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