Sistema di monitoraggio in fibra ottica per la misura della cavitazione in impianti idraulici

In this thesis an optical fiber interferometric sensor based on Michelson’s scheme, able to detect and measure the vibrations produced by cavitation phenomena, has been proposed and developed. The target is to obtain a measurement technique characterized by low costs, simple realization and extra robustness, that is applicable also on fields where traditional electric and optical fiber sensors would require expensive investments. In this thesis the use of an innovative phase diversity coherent detection technique, based on the use of 3x3 coupler and Faraday rotator mirror, that allow to solve the problems which typically interferometer systems suffer, is proposed. These problems can be summarized in signal and polarization fading, that are the signal loss caused by the shift of the working point away from the quadrature point and by random fluctuations of the state of polarization of the light when it propagates into the fibers. A balanced interferometric configuration has been adopted too, and it allows the use of wider linewidth lasers, thus resulting in lower costs. The designed and characterized sensor has been applied on a pipe for the measurement of vibrations produced by cavitation. This has been generated in a controlled way by a plate hole and a valve-turbine system. Temporal and spectral analysis has then been carried out on obtained data, comparing the results with literature and with experimental results produced by a traditional accelerometer, finding good confirmation. The sensor has been tested in more variants, whose performances have then been compared each other and with the accelerometer’s ones. The obtained results are qualitatively in agreement with the state-of-the-art, and with slightly higher performances. So, on higher bandwidths, the proposed measurement technique lends itself to be an effective, robust and cost effective alternative for the measurement of cavitation on various types of hydraulic systems.

In questo lavoro di tesi è stato proposto e sviluppato un sensore interferometrico in fibra ottica basato sullo schema di Michelson, in grado di rilevare e misurare le vibrazioni prodotte dal fenomeno della cavitazione. L’obiettivo è quello di ottenere una tecnica di misura caratterizzata da costi contenuti, semplicità realizzativa e maggior robustezza, che risulti applicabile anche in campi in cui i sensori tradizionali elettrici e in fibra ottica richiederebbero investimenti onerosi. In questo lavoro di tesi viene proposto l’utilizzo di una innovativa tecnica di rivelazione coerente a diversità di fase, basata sull’impiego di coupler 3x3 e Faraday rotator mirror, che permettono di risolvere le problematiche di cui tipicamente i sistemi interferometrici soffrono. Tali problemi possono essere riassunti in fading di segnale e di polarizzazione, ovvero la possibilità di perdita di segnale utile dovuta allo spostamento del punto di lavoro dalla quadratura e alle oscillazioni casuali dello stato di polarizzazione che la luce subisce quando propaga in fibra. È stata inoltre adottata una configurazione interferometrica bilanciata, che ha permesso l’utilizzo di laser a più larga riga, quindi meno costosa. Il sensore progettato e caratterizzato è stato poi applicato ad un tubo per la misurazione delle vibrazioni prodotte dalla cavitazione. Questa è stata generata in modo controllato da una piastra monoforo e da un sistema valvola-turbina. Sui dati ottenuti sono state effettuate analisi temporali e spettrali, confrontando i risultati con la letteratura e con i risultati sperimentali prodotti da un accelerometro tradizionale, trovando buoni riscontri. Il sensore è stato testato in più varianti, le cui prestazioni sono state poi paragonate tra loro e con quelle dell'accelerometro. I risultati ottenuti sono qualitativamente concordi allo stato dell'arte e con prestazioni leggermente migliori e su bande più ampie. La tecnica di misura proposta si presta ad essere quindi un'alternativa efficace, robusta e conveniente per la misura della cavitazione su vari tipi di sistemi idraulici.