Medición de variaciones espacio - temporales de la temperatura del agua en su interacción superficie y el subsuelo utilizando redes de difracción de Bragg en un tramo de un arroyo de montaña colombiano

Abstract

This final master's project presents the optical sensors based on fiber Bragg gratings (FBG) as a possible solution for the measurement of spatiotemporal variations of temperature in hydrological applications. Specifically, it presents a prototype for measuring water temperature variations due to the interaction between the surface and the subsoil in a mountain stream using fiber Bragg gratings. In this document, four arrays of FBG sensor pairs were designed. Their temperature responses were characterized obtaining curves with coefficients of determination above 0.9998 for each of the FBG sensors. Moreover, these FBG sensors were tested under a water column level up to 55 cm. Measurements validated that the designed sensors are insensitive to variations in the level of water up to the limits evaluated in the test. Finally, the prototype measurement system was implemented at 3 different points of interest in a stream located in the mountains of Puente de Boyacá, Boyacá, Colombia. Simultaneous temperature measurements were made for a period of 24 hours. Temperature gradients for each area of interest were obtained as well as the spatiotemporal gradient of water temperature in its interaction between surface and subsoil. The highest gradient with a maximum temperature between surface water and groundwater of 1.4°C was obtained for the arrangement of sensors located in the first position. The maximum temperature gradient for sensor arrays located in the second and third positions was 0.6°C and 0.45°C respectively.

En este trabajo final de maestría se presenta los sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg FBG (Fiber Bragg Gratings) como una posible solución para la medición de variaciones espacio - temporales de temperatura en aplicaciones hidrológicas. Puntualmente se presenta un prototipo de medición de variaciones de temperatura del agua debidas a la interacción entre la superficie y el subsuelo en un arroyo de montaña, basado en redes de difracción de Bragg. En este trabajo, se realizó el diseño de cuatro arreglos de pares de sensores FBG, para los cuales se determinó la respuesta en temperatura obteniendo curvas de caracterización con coeficientes de determinación por encima de 0.9998 para cada uno de los sensores FBG. Adicionalmente, los sensores fueron sometidos a pruebas de cambio de nivel de la columna de agua hasta 55 cm. Las mediciones validaron que los sensores diseñados son insensibles a variaciones de presión debidas al nivel de agua hasta los límites evaluados en la prueba. Finalmente, en un arroyo ubicado en las montañas de Puente de Boyacá, Boyacá, Colombia, se implementó el sistema prototipo de medición en 3 distintos puntos de interés y se realizaron mediciones simultáneas de temperatura por un periodo de 24 horas. Los resultados obtenidos, permitieron obtener gradientes de temperatura para cada zona de interés, y el gradiente espacio – temporal de temperatura del agua en su interacción entre superficie y subsuelo. Se obtuvo el mayor gradiente de temperatura entre el agua superficial y el agua subterránea para el arreglo de sensores ubicado en la primera posición, con un valor de 1.4°C. Por su parte, el máximo gradiente de temperatura para los arreglos de sensores ubicados en la segunda y tercera posición fue de 0.6°C y 0.45°C respectivamente.