DETECTAR LA PRESENCIA DE HIELO EN SUPERFICIES

La presente invención se refiere a un sensor óptico para detectar la presencia de hielo en superficies.

También se refiere a un sistema para detectar la presencia de hielo que comprende al menos uno de dichos sensores, y a un procedimiento para detectar la presencia de hielo en superficies.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Existen varias aplicaciones en las que es necesario detectar la formación de hielo o la presencia de hielo sobre una superficie.

Por ejemplo, la presencia de hielo en cualquier elemento aerodinámico de un avión o un helicóptero altera la forma, el peso y la distribución de masas del mismo: cuando se inicia la formación de hielo, generalmente en un borde de ataque, se produce una distorsión de flujo laminar y se generan turbulencias, de modo que se incrementa la resistencia y disminuye la sustentación. La formación de hielo supone por tanto un riesgo para la segundad, y de hecho ha tenido un papel importante en accidentes de aviación, y además afecta el control de la aeronave y hace aumentar el consumo de combustible.

Otro campo en el que conviene controlar la formación de hielo en una superficie es por ejemplo el de los aerogeneradores, ya que la formación de hielo en las palas reduce el rendimiento, puede provocar cargas excesivas, etc. También en buques, estructuras navales y otras aplicaciones submarinas en las cuales puede ser conveniente detectar la formación de hielo. También puede ser útil detectar la presencia o la ausencia de hielo en frigoríficos, cámaras frigoríficas y similares, o en conducciones de agua.

Para abordar este problema se han propuesto distintos tipos de sensores ópticos, por ejemplo sensores que comprenden una fibra óptica a lo largo de la cual se propaga una onda electromagnética, configurados y montados de modo que la propagación de la onda se vea afectada en alguna medida, por fenómenos de reflexión, refracción y dispersión de la luz (scattering), por la presencia de agua o hielo.

Sin embargo, los sensores ópticos conocidos tienen diferentes limitaciones que hacen que su aplicación no sea del todo satisfactoria y fiable: algunos sensores conocidos en general no son capaces de discriminar entre la presencia de hielo y la presencia de agua, por lo que en la práctica para saber si se forma hielo se requieren sensores adicionales de temperatura o de otro tipo; algunos sensores requieren elementos que sobresalen de la superficie, con lo que afectan la aerodinámica de la misma, o se pueden instalar sólo en determinadas posiciones y por tanto no miden directamente en la zona de interés; en otros casos las características de los sensores hacen que no sean resistentes a la erosión.

La presente invención proporciona un sensor que resuelve al menos en parte las limitaciones de los sensores conocidos.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con un primer aspecto, la presente invención proporciona un sensor óptico para detectar la presencia de hielo en superficies, que se caracteriza porque comprende:

- una guía de ondas con un material de revestimiento óptico cuyo índice de refracción n _ma ter¡ai cumple la relación n _agu a≤ n _ma ter¡ai < a una longitud de onda de trabajo λ _τ para la cual n _a gua < n _h ¡ _e io , y con una zona de núcleo contenida en el material de revestimiento y apropiada para la propagación de una señal óptica que tiene la longitud de onda de trabajo, presentando la guía de ondas un tramo sensor apropiado para ser instalado en una superficie en la que se debe detectar la presencia de hielo de modo que una cara del material de revestimiento del tramo sensor quede expuesta ;

- medios para inyectar en la guía de ondas una señal óptica con una longitud de onda de trabajo λ _τ para la cual n _agua < n _h ¡ _e io ; y

- medios para detectar la señal óptica transmitida por la guía de ondas curso abajo de dicho tramo sensor.

Con estas características del sensor, la atenuación de la señal óptica a lo largo del tramo de la guía de ondas que está próxima a la cara expuesta del cuerpo es significativamente diferente si hay presencia de hielo sobre la superficie, y por tanto sobre la cara expuesta del cuerpo, o si hay únicamente presencia de aire o agua. A continuación se explica con más detalle de qué manera el sensor permite detectar hielo de modo fiable, y más

particularmente diferenciar entre la presencia de hielo y la presencia de agua.

En la propagación de la señal óptica a lo largo de la guía de ondas, existen uno o varios modos electromagnéticos guiados.

En la cara del tramo sensor que está expuesta, es decir, sobre la que se puede depositar agua o hielo, hay un salto en el índice de refracción: si el índice de refracción del medio exterior es mayor que el de la guía, puede surgir un acoplamiento evanescente entre los modos electromagnéticos guiados y el medio exterior, que se traduce en una pérdida de potencia de los modos guiados.

Debido a que la guía de ondas es apropiada para trabajar en la región espectral donde se cumple la condición n _agu a≤ n _ma ter¡ai < n _h ¡ _e io, en presencia de hielo habrá acoplamiento evanescente y se producirá la pérdida de señal óptica, mientras que en presencia de agua o aire no lo hará, ya que sólo en presencia de hielo hay un aumento del índice de refracción entre el material y el exterior.

En realizaciones de la invención se aprovechan estos fenómenos para la detección unívoca del hielo frente al agua, de manera eficiente y sin necesidad de ulteriores parámetros. Además el sensor se puede montar sin necesidad de que sobresalga de la superficie, por lo que es particularmente apropiado en aplicaciones en que es importante no afectar la aerodinámica de las superficies, y la zona de núcleo de la guía de ondas queda protegida de la erosión porque no está expuesta directamente.

Preferiblemente, el índice de refracción del material cumple la relación n _a gua < nmateriai < n _h ¡ _e io a la longitud de onda de trabajo λ _τ .

En algunas realizaciones, especialmente cuando la aerodinámica de la superficie es importante, el tramo sensor es apropiado para ser instalado en la superficie de modo que la cara del material de revestimiento del tramo sensor quede expuesta a través de una abertura en la superficie; de este modo el sensor se puede montar nivelado con la superficie, y no afecta sus características aerodinámicas.

La guía de ondas puede comprender una fibra óptica, de la cual se ha retirado el recubrimiento exterior al menos en el área del tramo sensor destinada a quedar expuesta durante el uso, y opcionalmente se ha retirado además una parte del espesor del revestimiento óptico.

Alternativamente, al menos en el tramo sensor de la guía de ondas la zona de núcleo puede estar fabricada dentro de un cuerpo de material apropiado, de modo que varíe en esta zona el índice de refracción; es decir, el resto de la guía de ondas a ambos lados del tramo sensor puede estar configurado de otro modo.

Por ejemplo, a un extremo de entrada y a un extremo de salida de la guía de ondas que incluye el tramo sensor pueden estar acopladas unas fibras ópticas. Esto permite situar el emisor y el detector a cualquier distancia del tramo sensor, y siguiendo cualquier camino, gracias a la flexibilidad de la fibra óptica, cosa que puede ser particularmente útil en aplicaciones en las que conviene minimizar el espacio ocupado por el sistema en la superficie, como puede ser por ejemplo el ala de un avión.

En algunas realizaciones concretas, la longitud de onda de trabajo es de entre 3000 y 5000 nm, preferiblemente entre 3200 y 4000 nm; y el material se puede seleccionar entre cuarzo cristalino, cuarzo vitreo, fluoruro de indio, o compuestos de los mismos.

En realizaciones de la invención el espesor entre la zona de núcleo y la cara del material de revestimiento destinada a quedar expuesta es inferior a 250 pm, preferiblemente inferior a 50 pm; estos rangos permiten que los sensores tengan dimensiones reducidas.

El sensor puede comprender además un recubrimiento anti-erosión aplicado sobre la cara del material de revestimiento del tramo sensor destinada a quedar expuesta. Este recubrimiento permite alargar la vida útil del sensor, y será adecuado sobre todo en condiciones en que la superficie esté sometida a fricciones elevadas o ambientes particularmente agresivos.

De acuerdo con un segundo aspecto, la invención también se refiere a un sistema para detectar la presencia de hielo en superficies que comprende al menos un sensor óptico como se ha descrito, y medios para comparar la intensidad de una señal óptica detectada con al menos un valor umbral, y generar una alarma en caso de que la señal óptica sea inferior a un valor umbral.

El sistema puede comprender medios de calibración para determinar al menos un valor umbral, que pueden ser apropiados para determinar al menos un valor umbral una vez que el sistema está instalado en una superficie.

En algunas realizaciones el sistema comprende una pluralidad de dichos sensores ópticos, destinados a ser instalados en una zona predeterminada, a distancia unos de otros, y una unidad de control común conectada a dicha pluralidad de sensores, comprendiendo dicha unidad de control medios para proporcionar información sobre la distribución de hielo en una zona

predeterminada, en función de las intensidades de las señales ópticas detectadas en las salidas de la pluralidad de sensores.

De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para detectar la presencia de hielo en superficies, caracterizado porque

comprende:

- seleccionar una longitud de onda de trabajo λ _τ para la cual n _agu a < n _h ¡ _e io

- proporcionar una guía de ondas que comprende un material de

revestimiento óptico cuyo índice de refracción n _ma ter¡ai cumple la relación n _ag ua≤ n _ma ter¡ai < n _h ¡ _e io a la longitud de onda de trabajo λ _τ y una zona de núcleo contenida en el material de revestimiento y apropiada para la propagación de una señal óptica que tiene la longitud de onda de trabajo;

- instalar la guía de ondas en una superficie en la que se debe detectar la presencia de hielo, de tal modo que en un tramo de la guía una cara del material de revestimiento quede expuesta, definiendo un tramo sensor de la guía;

- transmitir una señal óptica con una longitud de onda de trabajo λ _τ a lo largo de la guía de ondas, y - detectar la señal óptica curso abajo del tramo sensor.

Preferiblemente se proporciona una guía de ondas que comprende un material de revestimiento óptico cuyo índice de refracción n _ma ter¡ai cumple la relación

n _agu a < n _ma ter¡ai < a la longitud de onda de trabajo λτ.

La guía de ondas se puede instalar en la superficie de modo que la cara del material de revestimiento del tramo sensor quede expuesta a través de una abertura en la superficie, y preferiblemente de modo que la cara del material de revestimiento expuesta quede nivelada con la superficie.

En algunas realizaciones, el procedimiento comprende además:

- comparar la intensidad de la señal detectada con al menos un valor umbral, y

- determinar que hay presencia de hielo sobre el tramo sensor de la guía de ondas si la intensidad de la señal detectada es inferior a dicho valor umbral.

El procedimiento puede comprender además determinar al menos un valor umbral; en este caso, la determinación de al menos un valor umbral se puede realizar una vez que la guía de ondas está instalada en una superficie.

En realizaciones útiles para monitorizar una zona de una superficie, el procedimiento puede comprender:

- instalar una pluralidad de guías de ondas en una zona predeterminada, a distancia unas de otras,

- proporcionar una unidad de control común conectada a dicha pluralidad de guías de ondas, y

- proporcionar información mediante la unidad de control sobre la

distribución de hielo en la zona predeterminada, en función de las

intensidades de las señales ópticas detectadas.

Otros objetos, ventajas y características de realizaciones de la invención se pondrán de manifiesto para el experto en la materia a partir de la descripción, o se pueden aprender con la práctica de la invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A continuación se describirán realizaciones particulares de la presente invención a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

La figura 1 es una gráfica que muestra los índices de refracción del agua y el hielo en función de la longitud de onda; la figura 2 muestra esquemáticamente la estructura de un sensor de acuerdo con una primera realización de la invención; las figuras 3 a 5 muestran esquemáticamente tres realizaciones posibles del sensor; y la figura 6 es una gráfica que ¡lustra cualitativamente la atenuación de una señal transmitida a lo largo de la guía de ondas del sensor durante un proceso de formación de hielo.

EXPOSICION DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN

De acuerdo con realizaciones de la presente invención, un sensor óptico para detectar la presencia de hielo en una superficie aprovecha el fenómeno de acoplamiento evanescente de modos electromagnéticos guiados para detectar hielo, y en particular para poder discriminar entre la presencia de hielo y la presencia de agua.

Para ello, se transmite una señal óptica a lo largo de una guía de ondas del sensor óptico; el sensor está diseñado de modo que si sobre el sensor hay hielo se produce un acoplamiento evanescente de al menos un modo guiado de la señal con el hielo, y que este acoplamiento no ocurra en presencia de agua: puesto que el acoplamiento evanescente tiene como efecto una atenuación importante de la señal transmitida por la guía de ondas, en presencia de hielo se produce una atenuación significativamente mayor que en presencia de agua, cosa que permite diferenciar las dos situaciones.

A continuación se describen las características concretas de un sensor de acuerdo con algunos ejemplos no limitativos de realización. Una característica del sensor es que se diseña para trabajar a una longitud de onda de trabajo λ _τ para la cual los índices de refracción del agua y del hielo cumplen la relación

fragua ^ ílhielo-

La figura 1 es una gráfica que muestra la variación del índice de refracción del agua y el hielo en función de la longitud de onda, en una zona del espectro entre 2 pm y 100 pm (escala logarítmica).

Como se puede apreciar en la gráfica, aunque en general los índices de refracción del agua y del hielo son similares, en la zona del espectro entre aproximadamente 3 pm y 90 pm (infrarrojo medio y parte del infrarrojo lejano) hay siete bandas espectrales IR1 , IR2, ... IR7, donde el índice del hielo es superior al del agua. Estas bandas se han señalado en la gráfica con un valor medio aproximado, sólo a título ilustrativo y no limitativo, y corresponden a zonas alrededor de aproximadamente 3500 nm (IR1 ), aproximadamente 4640 nm (IR2), aproximadamente 5860 nm (IR3), aproximadamente 8000 nm (IR4), aproximadamente 14500 nm (IR5), aproximadamente 54000 nm (IR6), y aproximadamente 73500 nm (IR7), teniendo cada banda un ancho de banda espectral característico diferente.

El sensor se diseña por tanto para trabajar con una longitud de onda trabajo λ _τ que se encuentra en una de estas bandas IR1 a IR7.

La figura 2 muestra parcialmente y de modo muy esquemático la estructura de un sensor de acuerdo con una realización de la invención. El sensor 100 de la figura 2 comprende una guía de ondas 101 que incluye un material de revestimiento óptico (cladding) 102 cuyo índice de refracción n _ma ter¡ai cumple la relación n _agu a≤ n _ma ter¡ai < n _h ¡ _e io a la longitud de onda de trabajo λ _τ , y preferiblemente la relación n _agu a < n _mate riai <

Por ejemplo, si se escoge una longitud de onda de trabajo λ _τ de 3394 nm, que está dentro del intervalo IR1 de la figura 1 , se puede ver que a esta longitud de onda n _agua es aproximadamente 1 ,45 y n _h ¡ _e io es aproximadamente 1 ,56 por lo que el material elegido para el revestimiento óptico del sensor deberá tener un índice de refracción a 3394 nm que esté entre estos dos valores: por ejemplo, el cuarzo cristalino cumple esta condición, ya que a esta longitud de onda tiene un índice de refracción próximo a 1 ,5.

Dentro del material de revestimiento óptico 102 existe una zona de núcleo {core) 103, apropiada para la propagación de una señal óptica a la longitud de onda de trabajo. La estructura de la guía con un núcleo y un revestimiento óptico se puede formar mediante cualquier técnica conocida: por ejemplo se puede formar la zona de núcleo por escritura láser en un bloque de material de revestimiento óptico apropiado, de modo que en esta zona el índice de refracción varíe en la medida necesaria para constituir un núcleo apropiado.

Puesto que la diferencia entre el índice de refracción del núcleo y el del revestimiento es en general muy pequeña, en general tanto el núcleo como el revestimiento pueden tener índices de refracción que están entre el del agua y el del hielo, a la longitud de onda de trabajo.

Para que se pueda propagar una señal, el material debe tener un cierto grado de transparencia a la longitud de onda de trabajo (no es necesaria en esta aplicación una transparencia muy elevada, puesto que las distancias son cortas y el objetivo de la guía de ondas no es que la señal se propague con el mínimo de pérdidas), y el núcleo debe tener un índice de refracción

ligeramente supenor al del material de revestimiento óptico, aunque la diferencia puede ser muy pequeña: por ejemplo, el núcleo puede tener un índice un 0, 1 % supenor al del revestimiento, o incluso sólo un 0,01 % supenor, como es conocido para un experto en la materia. La figura 2 muestra esquemáticamente y sólo a título ilustrativo un modo electromagnético guiado MG de una señal óptica, que se propaga a lo largo de la guía 101.

La guía de ondas 101 está configurada de modo que tiene un tramo 104, que se denominará a continuación tramo sensor, apropiado para ser instalado en una superficie S, en contacto con un medio exterior M, en la que quiere detectar la presencia de hielo. El sensor se instala de tal modo que una cara del material de revestimiento 102 del tramo sensor 104 quede expuesta a un medio exterior M, que puede ser por ejemplo aire, agua o hielo, del mismo modo que lo está la superficie S. La forma del sensor puede ser adecuada para que el sensor se instale dentro de la superficie S y el tramo sensor 104 de la guía de ondas 101 quede expuesto al medio exterior M a través de una abertura en la superficie S, y con la cara del matenal de revestimiento 102 nivelada con la propia superficie S, como se muestra en la figura 2.

En otras alternativas, sobre todo en aplicaciones en que la aerodinámica no es crítica, el sensor se puede colocar sobre la superficie, o sobresaliendo a través de una abertura, con el tramo sensor expuesto.

Si el sensor se debe usar en condiciones ambientales exigentes, puede ser conveniente seleccionar el matenal del revestimiento óptico también teniendo en cuenta la dureza, para que pueda resistir a rozaduras.

El sensor 100 también comprende en la figura 2 un emisor 105 capaz de inyectar en la guía de ondas 101 una señal óptica con la longitud de onda de trabajo λ _τ para la cual

n _ag ua < n _h ¡ _e io, y un detector 106 capaz de detectar la señal transmitida a lo largo de la guía de ondas 101 . El emisor puede ser, por ejemplo, un láser.

Gracias a la condición que se ha elegido para el índice de refracción del material del revestimiento óptico 102, cuando sobre el tramo sensor 104 se forma hielo, en la inferíase entre el tramo sensor y el hielo existirá un salto en el índice de refracción, que aumenta en dirección hacia el exterior (n _ma ter¡ai < nmeio), y por consiguiente se producirá un acoplamiento evanescente de al menos un modo guiado con el hielo a lo largo del tramo sensor 104 de la guía de ondas, de manera que la señal óptica quedará confinada preferentemente en el hielo. Como consecuencia de este acoplamiento, la intensidad de la señal transmitida por la guía de ondas y detectada por el detector 106 será significativamente menor que la emitida por el emisor 105.

En cambio, cuando sobre el tramo sensor haya aire (n _a ¡re = 1 < n _ma ter¡ai), o bien agua

(n _agu a≤ n _ma ter¡ai), no habrá un aumento del índice de refracción en la inferíase entre el tramo sensor y el medio exterior, sino en todo caso una disminución, y por tanto no habrá acoplamiento evanescente con el medio exterior y no se perderá intensidad de señal a lo largo de la guía por este fenómeno. Factores de diseño del sensor, tales como el material de la guía, el tipo de guía usada, la distancia entre el núcleo 103 y el medio exterior M (es decir, el mínimo espesor e del revestimiento óptico en el tramo sensor 104), la longitud de onda de trabajo concreta elegida, etc., determinan el grado de efectividad del sensor, y pueden ajustarse de acuerdo con los requerimientos concretos de cada caso: por ejemplo, en función del tipo de aplicación y entorno en el que se implemente, el sensor puede ser diseñado para cumplir diferentes requerimientos de tamaño, resistencia ambiental, eficiencia de detección, etc.

Hay que notar que el sensor se puede montar, como en la figura 2, nivelado con la superficie, y que la capa de material de revestimiento óptico 102 presente en el tramo sensor 104 protege el núcleo 103 del ambiente, y de la abrasión, sin perjudicar el acoplo evanescente en el que se basa la detección; todo ello es muy útil por ejemplo en aplicaciones en fuselajes de aviones y similares.

La longitud que debe tener el tramo sensor 104 para que se produzca acoplamiento evanescente en presencia de hielo puede ser muy pequeña, por ejemplo del orden de 1 mm o de unos pocos milímetros, por lo que el sensor apenas afecta la superficie en la cual se instala.

En general, cuanto mayor es la diferencia entre el índice del hielo y el índice del material del revestimiento óptico, menor es la distancia necesaria para que se transfiera una proporción significativa de energía de la guía hacia el medio exterior por acoplamiento evanescente, por lo que la longitud del tramo sensor dependerá también del material elegido.

El espesor e del material de revestimiento óptico 102 en el tramo sensor 104 puede ser de unas pocas mieras, pero también puede ser bastante mayor, dependiendo de la longitud de onda concreta de trabajo, la longitud del tramo sensor 104, etc.

El núcleo 103 de la guía de ondas 101 puede tener cualquier sección, por ejemplo redonda o rectangular, y también puede diseñarse como una zona con múltiples núcleos. El material de revestimiento 102 puede tener también cualquier forma que sea apropiada para contener la zona de núcleo 103 y para que el sensor se pueda colocar en la posición de trabajo; aunque también se puede prever que la guía de ondas esté parcialmente rodeada por una funda o que comprenda otro material exterior de protección, que sirva para montar el sensor en la posición de trabajo.

En las figuras 3, 4 y 5 se muestran esquemáticamente tres posibles vanantes de realización de un sensor óptico de acuerdo con la invención.

En la figura 3 el sensor comprende un cuerpo de material de revestimiento óptico 102, que contiene la zona de núcleo 103 y que está montado en una abertura A de la superficie S, de manera que una cara del revestimiento 102 del tramo sensor 104 quede expuesta. En las figuras se ha exagerado la abertura A para facilitar su identificación, pero habitualmente el sensor se montará de modo que no quede holgura entre la superficie S y el sensor.

La zona de núcleo 103 se extiende de una pared a otra del cuerpo de material de revestimiento óptico 102, siguiendo una trayectoria que hace posible que en el tramo sensor 104 quede próxima a la superficie S y al mismo tiempo proporciona suficiente espacio para las conexiones en los extremos de la zona de núcleo. En esta realización, el emisor 105 y el detector 106 pueden estar montados directamente adyacentes al cuerpo de material de

revestimiento 102, como muestra la figura.

La figura 4 muestra un sensor similar al de la figura 3, pero en el cual el emisor 105 y el detector 106 están conectados a la guía de ondas 101 a través de unas fibras ópticas auxiliares, 107 y 108, que pueden tener cualquier longitud adecuada para montar el emisor y el detector en posiciones alejadas de la superficie S en la que hay que detectar la presencia de hielo.

Una realización un poco distinta del sensor se muestra en la figura 5: en este caso, la guía de ondas del sensor es una fibra óptica 201. La fibra óptica 201 comprende, como es conocido, una zona de núcleo 203 {core), un

revestimiento óptico 202 (cladding), y un recubrimiento exterior 209 (coating o buffer). La fibra 201 se selecciona de modo que el revestimiento óptico 202 cumpla la condición que se ha mencionado de

nagua≤ n _mat eriai < n _h ¡ _e io a la longitud de onda de trabajo λ _τ ,

y preferiblemente n _agu a < n _mat eriai < n _hie io. La fibra óptica 201 comprende un tramo sensor 204, en el cual se ha retirado el recubrimiento exterior 209, de modo que una cara del revestimiento 202 quede expuesta en la superficie S. En el tramo sensor 204 se puede retirar además una parte del revestimiento óptico 202, dependiendo del espesor e que se quiera dejar entre el núcleo 203 y el medio exterior.

El emisor 105 y el detector 106 están situados en los extremos de la fibra óptica 201 , que tendrá la longitud que sea más adecuada para cada aplicación.

En este caso se ha representado la fibra óptica 201 encapsulada en un bloque o cuerpo de soporte 210 de un material cualquiera, como puede ser una resina o un adhesivo, que no interviene en el funcionamiento del sensor y simplemente tiene la función de permitir montar la fibra óptica 201 y en particular el tramo sensor 204 de una manera adecuada en la superficie S.

Los estudios realizados indican que el sensor es capaz de detectar la presencia de hielo desde que se produce la nucleación de los cristales, sin necesidad de que se forme una capa completa o que el hielo se acumule hasta un cierto espesor; por tanto, el sensor permite una detección muy temprana.

En todas las realizaciones del sensor que se han descrito también se puede prever que haya un recubrimiento anti-erosión aplicado al menos sobre el tramo sensor, es decir sobre la cara del revestimiento óptico que queda expuesta: basta diseñar este recubrimiento con el espesor adecuado para no impedir un acoplamiento evanescente significativo en el tramo sensor. Este espesor depende entre otras cosas del material del recubrimiento y de la longitud de onda de trabajo que se escoja, del nivel de efectividad que se requiera, y también de la longitud que tenga el tramo sensor; en algunos casos convendrá que el espesor sea sustancialmente menor que la longitud de onda de trabajo, sobre todo si se quiere que el tramo sensor tenga una longitud reducida.

En una realización, a título de ejemplo concreto y no limitativo, el sensor puede tener las siguientes características: - material de revestimiento óptico: cuarzo cristalino

- longitud de onda de trabajo: λ _τ = 3,394 m

- espesor del revestimiento sobre el núcleo: e = 10 pm

- núcleo de sección circular, de radio r = 10 pm

- longitud del tramo sensor: 10 mm

En un sensor de este tipo, la señal transmitida no sufriría atenuación en presencia de aire en el exterior, mientras que sufriría una importante atenuación de aproximadamente 6 dB (por tanto sólo habría un 25% de transmisión) en presencia de hielo.

Hasta ahora se ha discutido cómo el sensor es capaz de detectar la presencia de hielo, y de discriminarla respecto a la presencia de agua. Sin embargo, realizaciones del sensor de acuerdo con la invención también pueden detectar la presencia de agua (diferenciada de la presencia de aire), para proporcionar una información más completa de la situación en la superficie, en cada instante o a lo largo del tiempo.

En efecto, cuando existe agua sobre el tramo sensor también se produce una cierta atenuación de la señal transmitida por la guía de ondas, pero en este caso la pérdida de intensidad se debe a fenómenos de absorción (no hay acoplo evanescente), y la pérdida es significativamente menor que en presencia de hielo.

En definitiva, el sensor permite identificar tres situaciones distintas, a cada una de las cuales corresponde una cierta atenuación o pérdida de intensidad de la señal:

- cuando el medio exterior M (ver figura 2) es aire, la señal prácticamente no sufrirá atenuación, o en cualquier caso tendrá un nivel (máximo) conocido, que depende de las características del sensor y de la línea entre el emisor

105 y el detector 106;

- si al cabo de un tiempo se deposita agua sobre la superficie S (es decir, el medio exterior M pasa a ser agua), se producirá una cierta pérdida por absorción en la señal; en algunos casos la intensidad de la señal puede quedar reducida por ejemplo a un nivel aproximado del 80% (atenuación de aproximadamente 1 dB);

- si posteriormente en el agua depositada se forman cristales de hielo, de modo que el medio exterior M pasa a ser hielo, se producirá acoplamiento evanescente de al menos un modo electromagnético guiado de la señal con los cristales de hielo, y la pérdida de intensidad en el tramo sensor será muy superior que en el caso del agua; en algunos casos la intensidad detectada en presencia de hielo puede llegar a ser por ejemplo de alrededor del 20% (atenuación de aproximadamente 7 dB).

La figura 6 ¡lustra cualitativamente la evolución de la intensidad de la señal a lo largo de estas tres etapas en el tiempo, mostrando a la izquierda de la figura un eje con la intensidad de la señal, y a la derecha un eje con la atenuación correspondiente. La gráfica es puramente ilustrativa, ya que los valores concretos pueden variar dependiendo de los materiales y la geometría del sensor, la longitud de onda de trabajo, las condiciones del medio exterior, etc.

En una aplicación práctica, mediante una calibración del sensor se pueden establecer uno o más niveles de umbral adecuados para proporcionar señales de aviso de la formación o presencia de hielo, e incluso de la presencia de agua. Los umbrales se establecerán para cada aplicación en los niveles más adecuados dependiendo de cómo se quiera monitorizar la situación, de la segundad exigida, etc.

Además, puesto que el nivel de acoplamiento evanescente dependerá también de las características de la capa de hielo, calibrando adecuadamente el sensor se puede llegar a evaluar el espesor de la capa de hielo.

Utilizando uno o más sensores ópticos de acuerdo con realizaciones de la presente invención se puede construir un sistema capaz de detectar hielo en un punto de una superficie, pero también un sistema capaz de realizar una monitorización y proporcionar información sobre el medio exterior (aire, agua o hielo) que hay en cada momento sobre la superficie, e incluso sobre el espesor del hielo. En función de la información proporcionada por el sistema, un usuario puede tomar las decisiones que se consideren apropiadas: por ejemplo, si el sistema se instala en el fuselaje de una aeronave, el piloto puede decidir activar medios para eliminar el hielo o para evitar su acumulación. También se puede prever un control automático de sistemas de deshielo o similares, en función de las señales proporcionadas por el sistema de detección.

Con varios sensores instalados a distancia unos de otros y conectados a una unidad de control común es posible también realizar un sensado multipunto, y se pueden utilizar estrategias de inteligencia artificial o lógica difusa para extraer información adicional respecto a la distribución espacial del hielo en la superficie o el tipo de hielo.

En un sistema con varios sensores se puede emplear un emisor y un detector independientes para cada uno de los sensores; en alguna aplicación puede ser útil además que haya sensores con características distintas unos de otros y que trabajen con longitudes de onda distintas, por ejemplo si algún punto de la superficie a controlar es más crítico, requiere un mayor nivel de precisión, etc.

Alternativamente un sistema con varios sensores puede emplear un emisor común y una única longitud de onda de trabajo.

En todos los casos, la calibración puede ser individual para cada sensor, de modo que cada sensor tenga asociados umbrales distintos; las diferencias entre los umbrales pueden ser debidas a que las características concretas de los sensores son distintas, pero también a la voluntad de realizar una monitorización de unos puntos de la superficie respecto a otros.

La calibración se puede realizar en fábrica o antes de instalar los sensores, pero puede ser más preciso realizarla una vez que los sensores están instalados en una superficie, e incluso re-calibrar el sensor periódicamente. Para ello, la unidad de control del sistema podrá estar dotada de las funcionalidades necesarias.

Se puede realizar una calibración "en seco", es decir con aire como medio exterior, para fijar el nivel normal o nivel cero de la intensidad de señal, y asignar porcentajes predeterminados de este nivel como umbrales; o bien se pueden realizar calibraciones específicas también en presencia de hielo y/o agua, para fijar umbrales de atenuación apropiados.

Se comprenderá a partir de esta descripción que, en una realización concreta, un procedimiento para detectar la presencia o la formación de hielo puede comprender, por ejemplo:

- seleccionar una longitud de onda de trabajo para la cual el índice de refracción del agua y el índice de refracción del hielo cumplen la condición fragua ^ ^hielo,

- proporcionar una guía de ondas, que puede ser una fibra óptica o una guía de otro tipo, que tiene una zona de núcleo y un revestimiento óptico, de un material cuyo índice de refracción, a la longitud de onda de trabajo, está entre el del hielo y el del agua;

- instalar esta guía de ondas en la superficie de tal manera que en un tramo de la guía, que constituirá el tramo sensor de la guía, el revestimiento óptico quede colocado con una cara expuesta al medio exterior a la superficie;

- transmitir una señal óptica con la longitud de onda de trabajo prevista, a lo largo de la guía de ondas,

- detectar la señal óptica curso abajo del tramo sensor, y

- comparar la intensidad de la señal detectada con uno o varios umbrales, para determinar en función de la atenuación que se ha producido, si sobre el sensor se ha formado hielo.

En todos los casos, la señal óptica transmitida puede ser continua o pulsada, y la detección puede hacerse a intervalos de tiempo apropiados.

El procedimiento puede aplicarse con un sistema de varias guías de onda instaladas a distancia unas de otras, y puede comprender además etapas de calibración, tal como se ha descrito más arriba. También puede utilizarse para emitir no sólo avisos o señales relacionados con la formación o la presencia de hielo, sino también con la presencia de agua sobre la superficie, estableciendo de manera adecuada las características de las guías de ondas, la longitud de onda de trabajo, y los umbrales.

A pesar de que se han descrito aquí sólo algunas realizaciones y ejemplos particulares de la invención, el experto en la materia comprenderá que son posibles otras realizaciones alternativas y/o usos de la invención, así como modificaciones obvias y elementos equivalentes. Además, la presente invención abarca todas las posibles combinaciones de las realizaciones concretas que se han descrito. Los signos numéricos relativos a los dibujos y colocados entre paréntesis en una reivindicación son solamente para intentar aumentar la comprensión de la reivindicación, y no deben ser interpretados como limitantes del alcance de la protección de la reivindicación. El alcance de la presente invención no debe limitarse a realizaciones concretas, sino que debe ser determinado únicamente por una lectura apropiada de las

reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, los usos que se puede dar al sensor son múltiples, aunque sólo se ha hecho referencia explícita a la detección de hielo y/o agua en

aeronaves. También en palas de aerogeneradores el sensor puede resultar muy apropiado, ya que estas superficies tienen problemáticas similares a las de las alas de avión por lo que respecta a la aerodinámica.

Otra aplicación puede ser la detección de hielo en superficies que se encuentran sumergidas, ya que el sensor discrimina de modo fiable el hielo del agua; y también puede emplearse para detectar el hielo en frigoríficos o en conducciones de agua, y en general en cualquier circunstancia en que se quiera detectar la formación de hielo de manera rápida y fiable.