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Sensores de fibra óptica para medidas en continuo y monitorización de estructuras.

  José Luis
Lozano
José Luis Lozano
Responsable de Área
HBM Ibérica
  Silvia
Abad
Silvia Abad
R&D Project Manager, HBM FiberSensing. Profesora e investigadora
Universidad Europea de Madrid

Resumen: La monitorización continua de diferentes estructuras es un aspecto cada vez más relevante dentro del ámbito de la metrología. De entre las diferentes tecnologías de monitorización disponibles, las soluciones basadas en sensores de fibra óptica, y en particular en redes Bragg de difracción, ofrecen ventajas significativas en diversas aplicaciones, tales como la reducción de cableado, la inmunidad a interferencias electromagnéticas, la pasividad eléctrica o la posibilidad de tener sensores embebidos dentro de los propios materiales. Este artículo describe las ventajas de los sistemas basados en FBGs para diversas aplicaciones, y proporciona ejemplos comerciales del uso de esta tecnología.

Palabras clave: Monitorización estructural. Sensores de fibra óptica. Redes Bragg de difracción (FBG).

Abstract: Continuous monitoring of different structures is becoming a key aspect in the field of instrumentation. Among the available monitoring technologies, fiber optic sensing, and in particular Fiber Bragg Gratings, provide relevant advantages for different applications, such as cabling reduction, electromagnetic immunity, electrically passive nature, or the possibility for sensor embedment in different materials. This paper describes the advantages of FBG systems in different applications and provides examples of commercial solutions based on this technology.

Keywords: Structural Health Monitoring. Fiber optic sensors. Fiber Bragg Gratings (FBG).

1. Introducción.

Los recientes y continuos avances en nuevos materiales, más ligeros y resistentes que sus predecesores, junto con el incremento general de los requisitos de seguridad en un nuevo entorno global cada vez más automatizado y digitalizado, y la necesidad de ampliar al máximo el ciclo de vida de las diferentes estructuras que nos rodean hacen que la monitorización en continuo sea un aspecto cada vez más relevante dentro del ámbito de la metrología.

Todas aquellas estructuras susceptibles de ser monitorizadas —puentes, túneles, parques eólicos, tuberías de agua, oleoductos y gasoductos, pozos petrolíferos, pavimentos, vías férreas, barcos, aviones, trenes, grandes máquinas eléctricas etc. — están sometidas a distintos factores internos y externos que pueden provocar deterioros que recorten su vida útil, o que incluso generen fallos estructurales que causen interrupciones operativas o situaciones de falta de seguridad.

La monitorización en continuo posibilita la detección de cambios en el comportamiento de las estructuras. De esa forma pueden adoptarse eficientemente medidas de mantenimiento y reparación incidiendo en la reducción de los costes operativos. La implantación de estos sistemas permite reemplazar el mantenimiento periódico por un mantenimiento adaptado a las condiciones del elemento estudiado.

Ventajas obtenidas en la monitorización:

  • Incremento de la seguridad. Observación continua.

  • Automatización del mantenimiento.

    • Ampliación de los intervalos de inspección.

    • Ahorro de costes y tiempo.

  • Detección temprana de daños.

Figura 1.
Figura 1.- Elementos del ciclo de monitorización continua

Basándonos en 60 años de experiencia, HBM ha desarrollado productos y soluciones de medida, análisis y simulación con el compromiso de optimizar el ciclo de vida de los productos de nuestros clientes. El objetivo final es proporcionar la solución de medida adecuada a cada una de las aplicaciones, permitiendo que los requisitos específicos sean cumplidos, y obteniendo los resultados dentro de los márgenes de confianza requeridos.

2. Tecnología de sensores de fibra óptica

Una tecnología especialmente indicada para la monitorización en continuo de diversos tipos de estructuras es la tecnología de sensores de fibra óptica.

Si bien existen diferentes tipos de sensores de fibra, todos ellos tienen en común el hecho de que el elemento sensible es la propia fibra óptica, y los elementos eléctricamente activos se encuentran únicamente en los extremos de la misma, que potencialmente pueden estar muy alejados de los puntos de medida. De esta forma, la fibra óptica funciona simultáneamente como transductor y como medio de transmisión. Esta característica, junto con la capacidad de incorporar múltiples puntos de medida en una única fibra óptica, y el reducido peso y óptimas prestaciones de transmisión de información del cable de fibra, ofrecen importantes ventajas frente a otras tecnologías de monitorización:

  • Reducción del cableado en estructuras con un elevado número de sensores

  • Muy baja interferencia entre diferentes puntos de medida

  • Potencial para grandes distancias entre sensores y entre estos y la unidad de adquisición de datos

  • Inmunidad electromagnética y de radiofrecuencia

  • Pasividad eléctrica

  • Resistentes a ambientes hostiles (tolerancia a temperaturas extremas, entornos de radiación, humedad, químicamente inertes,….)

  • Dimensiones y peso reducidos

  • Capacidad de embebimiento en diferentes tipos de materiales, y, en particular, en materiales compuestos.

Dentro de los sensores de fibra óptica, dos tipos de tecnologías son las más desarrolladas comercialmente:

  • Tecnologías distribuidas. En estos sistemas toda la fibra óptica actúa como sensor, por lo que nos alejamos del concepto clásico de “punto de medida” y pasamos a obtener “mapas” que nos permiten ver la evolución espacial, bien sea de la deformación (sistemas DSS basados en efecto Brillouin) o de la temperatura (sistemas DTS basados en efecto Raman o DTSS basados en Brillouin).

  • Tecnologías cuasi-distribuidas basadas en redes Bragg de difracción (FBG). En este caso, dentro del núcleo de la fibra óptica se inscriben elementos sensibles, denominados redes Bragg de difracción FBGs, con una longitud aproximada de 1 cm, y que hacen que la fibra sea sensible únicamente en dichos puntos, pudiendo inscribirse un elevado número de estos elementos sensibles a lo largo de una misma fibra, y obteniendo de esta forma un sistema cuasi distribuido. La tecnología de FBGs es inherentemente sensible a la temperatura y la deformación, pero pueden diseñarse sensores para medidas de aceleración, vibración, presión, inclinación, desplazamiento o incluso corrosión, pH,…..

Debido a su mayor versatilidad, nos centraremos en la tecnología de FBGs, explicando brevemente su funcionamiento, sus ventajas, y sus limitaciones.

Una FBG es una variación periódica (periodo Λ) del índice de refracción (neff) en el núcleo de una fibra óptica, que hace que cuando la longitud de onda de la luz incidente cumple con la condición de ser 2·neff· Λ, dicha componente espectral, denominada longitud de onda Bragg λB, sea reflejada hacia atrás por la misma fibra, siendo el resto de las componentes espectrales transmitidas hacia adelante con muy bajas pérdidas.

Figura 2. Funcionamiento básico
de un FBG.
Figura 2. Funcionamiento básico de un FBG.

Así, si se crean a lo largo de una misma fibra óptica redes con diferente periodo, podremos tener múltiples sensores integrados dentro de la misma línea, implementando de esta manera un sistema de medida cuasi-distribuido.

Figura 3.  Concepto
de multiplexación de FBGs.
Figura 3. Concepto de multiplexación de FBGs.

Un FBG es inherentemente sensible a la deformación y a la temperatura, modificándose con ambos parámetros la longitud de onda reflejada por la estructura periódica. Así pues, los equipos de adquisición de datos en tecnología FBG tienen la función de inyectar luz en varias longitudes de onda en la fibra, bien sea mediante fuentes de luz anchas que emitan en una zona espectral amplia de forma simultánea o bien mediante fuentes láser sintonizables, y de medir la longitud de onda de la luz reflejada por los sensores. Al estar la información codificada siempre en la longitud de onda reflejada, la tecnología FBG tiene además otras características atractivas:

  • La información no se ve alterada por las condiciones que se puedan producir a lo largo del recorrido por la fibra (pérdidas de potencia, variaciones diferenciales en el camino óptico,…)

  • Permiten unir en la misma fibra y utilizando el mismo equipo de medida, sensores de temperatura y deformación. Es más, a través de medidas extensométricas, pueden también incorporarse sensores de aceleración, vibración, carga, inclinación, presión, desplazamiento….

  • La mayor parte de los sistemas comerciales utilizan la banda de 1500 nm a 1600 nm para sus sistemas, y utilizan fibra monomodo estándar para la transmisión, lo que maximiza la distancia entre el sensor y el equipo de medida, pudiendo interrogarse sensores a varias decenas de kilómetros de distancia.

  • Proveen redundancia a cortes de fibra, ya que los sensores se pueden leer desde los dos extremos al operar en reflexión.

Como desventaja, los sensores de deformación y de otros parámetros mecánicos, presentan sensibilidad cruzada con la temperatura, por lo que es necesario implementar mecanismos de corrección para compensar el efecto térmico. Asimismo, en la construcción de sensores de temperatura es necesario garantizar el desacoplo mecánico de la estructura sobre la que el sensor esté instalado.

La determinación de la longitud de onda de la señal reflejada es además un proceso más complejo que las medidas de tensión necesarias habitualmente en la adquisición de sensores convencionales. Esto hace que la tecnología sea económicamente competitiva únicamente en aplicaciones con un elevado número de sensores o bien en aquellas en las que las características de pasividad eléctrica e inmunidad electromagnética proporcionen un valor añadido a la tecnología.

3. Aplicaciones en Ingeniería Civil.

Figura 4a.

Con el importante incremento de estructuras civiles en los últimos años – viaductos, túneles- y la evolución y avances en materiales y tecnologías de construcción, así como los requisitos de uso de este tipo de estructuras, se ha creado la necesidad de mejorar las técnicas de inspección y verificación de la salud estructural.

Los sistemas de monitorización avanzados se han convertido en un elemento clave a lo largo de todo el ciclo de vida de una estructura: desde el diseño y la construcción reduciendo los tiempos, la explotación maximizando disponibilidad, hasta la rehabilitación y la retirada del servicio en caso de ser necesario. Sistemas que permiten la detección de sobrecargas e implementan mecanismos de seguridad, redundando todo ello en un incremento de la vida útil de la infraestructura.

Los sistemas de monitorización deberán estar basados en soluciones fiables que implementan sistemas de monitorización desatendidas a corto y largo plazo, y posibilitar la obtención de resultados precisos de las magnitudes evaluadas: distribuciones de tensiones, temperatura, convergencias, rotaciones, vibraciones, medición de cargas, desplazamientos, etc.

Figura 4b.

Dichos sistemas deberán proporcionar: perfecta sincronización, adquisición de datos automática con acceso remoto, sistemas de postprocesado automático, generación de alarmas y un entorno de usuario intuitivo. Dado la variedad de las magnitudes a medir se proporcionan soluciones híbridas con sistemas de medida que integran tecnologías robustas e innovadoras: frecuencia portadora, interrogadores ópticos y múltiples soluciones que se adaptan a cada una de las magnitudes a medir.

En el caso de las aplicaciones en grandes estructuras civiles, la tecnología de FBGs proporciona un valor añadido debido al gran número de sensores involucrados en el sistema de monitorización y a la capacidad de interrogación desde una larga distancia. Estas características permiten una reducción drástica de la cantidad de cableado necesario, manteniendo la integridad de las señales.

Como ejemplo, el túnel ferroviario del Rossio, en Lisboa, tiene instalado un sistema de HBM FiberSensing que proporciona monitorización continua de su deformación y convergencia. El sistema está compuesto por 872 sensores de temperatura y deformación, soldados a 109 barras metálicas colocadas en secciones a lo largo del túnel, con más de 18 km de fibra instalados y con todos los sensores interrogados con una única unidad de medida y un multiplexor óptico de 128 canales. Los datos de los sensores son almacenados y procesados de forma automática en tiempo real y son accesibles a través de una herramienta web.

Figura 4.Sistema de medida de
convergencia en túneles
Figura 4. Sistema de medida de convergencia en túneles

4. Aplicaciones en grandes máquinas eléctricas

Figura 5a.

La inmensa mayoría de la producción eléctrica mundial se origina mediante grandes turbinas generadoras. Los grandes generadores están típicamente entre los 500 MW y los 1,5 GW, y se diseñan para operar de forma ininterrumpida. El mantenimiento de estas grandes máquinas implica su desconexión de la red para inspección programada, o, lo que es peor, su apagado inmediato en caso de fallo operativo. Estas desconexiones suponen unas pérdidas económicas significativas para las empresas productoras de energía.

La monitorización continua de estas grandes máquinas de generación eléctrica, ya sean grandes generadores o transformadores de potencia, permite por una parte minimizar las paradas de mantenimiento de estas máquinas, y por otra aumentar la seguridad operativa, lo que a su vez se traduce en una reducción de las cuantías de los seguros asociados a estos sistemas.

Las condiciones ambientales inherentes a este tipo de aplicaciones implican elevados campos electromagnéticos y, habitualmente, entornos explosivos por el uso de sistemas refrigerados con hidrógeno o por ambientes de inmersión en aceite. En estos entornos de medida la tecnología de fibra óptica garantiza por una parte la seguridad de una tecnología pasiva eléctricamente, y por otra proporciona una alta calidad de señales debida a la inmunidad a campos electromagnéticos externos de la fibra.

Figura 5. Instalación de sensores de fibra en un generador de potencia
Figura 5. Instalación de sensores de fibra en un generador de potencia

En estas grandes máquinas, los sistemas de monitorización suelen usarse para la medida de vibración, temperatura y deformación en el interior de transformadores y generadores. Estos sistemas incluyen no sólo los sensores y los interrogadores, sino que la solución completa debe incluir asimismo los pasamuros para las fibras, y cables de fibra específicamente diseñados para su operación en el interior de este tipo de estructuras.

De especial interés puede ser el desarrollo de instrumentación para sistemas más específicos en el entorno de la generación energética, como la instrumentación del reactor de fusión experimental en fase de construcción en Francia (ITER). El proyecto ITER es un experimento científico internacional de gran envergadura que tiene como objetivo la producción comercial de energía nuclear de fusión.

Para este proyecto HBM FiberSensing ha desarrollado un sistema de instrumentación basado en FBGs para la monitorización de la deformación, desplazamiento y temperatura de los imanes superconductores del reactor. Este es un entorno de alta radiación, alto vacío y con temperaturas de 4 K, lo que hace especialmente desafiante el desarrollo de los sensores. Se prevé instalar entre 500 y 900 sensores FBG, que están ya en la fase final de producción.

Figura 6. Construcción y
	test de sensores para ITER
Figura 6. Construcción y test de sensores para ITER

5. Aplicaciones sector Energía Eólica

Figura 6.

El tiempo de inactividad de los aerogeneradores supone un elevado coste en las explotaciones. Es por tanto de crucial importancia la identificación de aquellos componentes en los que las tensiones mecánicas pudiesen producir fallos a lo largo de la vida útil de la máquina. La tecnología de medida permite la detección de estos puntos en una fase temprana y, minimizando con ello los tiempos de parada.

Los generadores eólicos en la actualidad son más grandes y altos que en el pasado, especialmente en las aplicaciones “offshore”. Las demandas en la medida para las máquinas en el futuro son más exigentes en cuanto a la necesidad de equipos de medida en general, y específicamente para las soluciones “offshore”. Primero porque las condiciones son mucho más exigentes, y segundo porque las turbinas se encuentran en lugares más inaccesibles. Por tanto se requiere una mayor fiabilidad de cada uno de los componentes y de todo el sistema, al mismo tiempo se debe estar preparado para la medida de tensiones, fuerzas y pares mucho más elevados.

En estos entornos donde la accesibilidad a los sistemas de medida y los datos puede ser limitada, es necesario implementar soluciones que extraigan la información relevante de todo el conjunto de medidas, para ello las soluciones de software profesional nCode permiten realizar análisis de fatiga durante el diseño y operación de las instalaciones eólicas, de modo que todos los componentes estén óptimamente dimensionados, y cualquier envejecimiento prematuro en cualquier parte de la estructura, sea detectado y subsanado con antelación.

Dichos sistemas deberán proporcionar: perfecta sincronización entre los diferentes canales de medida, adquisición y procesado de datos automática con acceso remoto y generación de alarmas. Dadas las condiciones tan exigentes, es importante la elección de los equipos basándose en la robustez y fiabilidad de las mismas, empleando tecnologías maduras en las que HBM aporta su experiencia de más de 60 años.

Una aplicación especialmente interesante en el entorno de los aerogeneradores es la monitorización dinámica de la deformación en las palas. HBM FiberSensing ha desarrollado el sistema WindMETER, que incorpora 3 canales ópticos (uno por pala) con un máximo de 8 sensores (4 de deformación y 4 de temperatura) en cada canal, y que proporciona medidas simultáneas de todos estos sensores a 100 muestras/s. La unidad de interrogación se coloca en el rotor, y los sensores pueden ser bien embebidos en la pala durante su fabricación o bien pegados en su superficie tras la instalación del aerogenerador. Este sistema proporciona la información necesaria no solo para la implementación de sistemas de monitorización estructural, sino que permite la implantación de sistemas de control individual del pitch (IPC), que mejoran la eficiencia de los aerogeneradores de más alta potencia.

Las ventajas de la tecnología de FBG en este entorno son la capacidad de multiplexación, la pasividad eléctrica y la inmunidad a descargas eléctricas tales como las producidas por rayos, y la alta resistencia a la fatiga de los sensores FBG de deformación.

Figura 7. Unidad WindMETER instalada en un rotor y sensores pegados en una
	pala en operación
Figura 7. Unidad WindMETER instalada en un rotor y sensores pegados en una pala en operación

6. Aplicaciones en aeronáutica y espacio.

Figura 7.

Otro de los grandes mercados para la instrumentación en continua es el de la industria aeronáutica y aeroespacial.

En la actualidad aproximadamente el 50 % del A350 XWB de Airbus y del Boeing B787 Dreamliner están fabricados con nuevos materiales compuestos, lo que aumenta la necesidad de integrar sistemas de monitorización continua que proporcionen información del estado de las estructuras realizadas con estos nuevos materiales. Ambas compañías están involucradas en diversas iniciativas y proyectos tecnológicos para el desarrollo de sistemas de medida basados en fibra óptica que estén certificados para vuelo y que permitan el embebimiento de sensores de deformación dentro de las propias estructuras de material compuesto.

En el caso de la industria aeroespacial, el mayor requisito de monitorización corresponde no tanto a medidas estructurales, sino a medidas de mapeo térmico. Como ejemplo, la plataforma EUROSTARS 6000 de satélites de telecomunicación de Airbus integra más de 200 sensores de temperatura, requiriendo mazos de cableado que suponen por una parte mucho tiempo de diseño, instalación y test y, por otra, añaden masa a la estructura total.

En estas aplicaciones los sensores FBG proporcionan una alternativa con tamaño y masa muy reducidos, así como inmunidad electromagnética y de radiofrecuencia, lo que evita interferencias con otros sistemas de a bordo.

Figura 8. Unidad WindMETER instalada en un rotor y sensores pegados en una
	pala en operación
Figura 8. Unidad BraggMETER para aeronáutica y módulo para integración en la RTU2015 de Airbus DS (aplicaciones espaciales)

HBM FiberSensing lleva más de 10 años trabajando en el desarrollo de sistemas FBG para vuelo, tanto en el mercado aeronáutico como para espacio. De entre estos desarrollos, se está en este momento en la fase final de test de un equipo para uso en vuelo aeronáutico con capacidad para ser montado en diversas partes de la estructura del avión (MiniBRAGG) y de otro equipo que será comercializado como una tarjeta integrable de un equipo modular desarrollado por Airbus DS para aplicaciones espaciales.

7. Aplicaciones en sector ferroviario.

Figura 8a.

En el sector ferroviario surgen necesidades específicas de monitorización relacionadas tanto con las infraestructuras como con los vehículos: Monitorización continua y autónoma de cargas de vehículos, manipulación, pérdida de redondez de ruedas (WTMS), medición a largo plazo en raíles, traviesas y cambios de agujas.

Para la monitorización continua de los vehículos, se desarrollan tecnologías específicas instaladas en las vías que permiten la monitorización del estado del vehículo de forma continua y de los parámetros de carga de la superestructura mediante puntos de medición en la propia vía, de forma que las mediciones no impiden el tráfico a velocidad normal.

Los raíles, están sometidos a grandes tensiones de forma permanente, debidas al propio tráfico ferroviario, variaciones térmicas que pueden incidir a largo plazo produciendo diferentes tipos de daños. Mediante la monitorización continua de la red ferroviaria es posible extraer la información de dichas perturbaciones, permitiendo estimar los intervalos de servicio y las actuaciones sobre la vía. Fundamentalmente las magnitudes a medir son: fuerzas, tensiones mecánicas y aceleraciones, a partir de éstas se determinan  los desplazamientos laterales y longitudinales de la vía y el desplazamiento lateral de las traviesas.

De toda esta información se extrae la medición de cargas sobre la vía durante el paso de los vehículos, valores de carga por eje. El incremento de medidas de seguridad mediante la detección y monitorización continua de factores de riesgo para descarrilamientos y sobrecargas: fuerzas Y - Q, estado de carga, fuerza centrífuga, características de rodadura. En su conjunto todos estos sistemas y mediciones inciden directamente en términos económicos optimizando los intervalos de servicio y la vida útil de la infraestructura.

Figura 9.
Figura 9. Sensores de deformación y temperatura instalados en los raíles con la línea en operación

Para la medida en los entornos descritos son necesarias tecnologías robustas y fiables que permitan el funcionamiento en largos periodos de tiempo de forma desatendida y sometidas a entornos hostiles en cuanto a condiciones climáticas y entorno electromagnético. En este sentido, la tecnología de medición óptica basada en los sensores FBG abre innumerables posibilidades y permite obtener resultados de medición correctos y significativos, incluso en mediciones en catenarias y elementos de alta tensión.

8. Aplicaciones en Petróleo y Gas.

Figura 9.

El petróleo y el gas son materias primas extraídas en lugares diversos para lo que se utilizan diferentes infraestructuras de extracción y transporte. Como producto valioso es especialmente importante que su procesamiento y distribución se realice de forma segura, eficiente e ininterrumpida. Las soluciones y sistemas de medición actuales permiten comprobar de manera óptima el nivel de fatiga y carga de las infraestructuras, los sistemas de transporte y las tuberías. Medición eficiente en aplicaciones “offshore”, con tecnología para monitorizar tubos de subida, tuberías, grúas, estructuras de cimentación, oleoductos, etc.

Uno de los ejemplos más ilustrativos en este tipo de infraestructuras es la monitorización de tuberías, ya sean oleoductos, gaseoductos, o cualquier elemento de importancia que sea distribuido.

Las bandas extensométricas son particularmente óptimas para la medida de cargas mecánicas en estructuras, así como en medidas geotécnicas. Ambas aplicaciones se relacionan directamente con la monitorización de conducciones en la industria del petróleo y el gas, de las que además es posible extraer los parámetros de operación de la infraestructura, como la presión de transporte y permite prevenir accidentes en zonas donde sean susceptibles de haber deslizamientos.

Cuando se monitoriza la integridad de estas estructuras, el sistema de medida deberá ser plenamente confiable, ya que todos los procesos son de vital importancia y están sometidos a regulaciones. Es en estas circunstancias donde la medida óptica permite de forma óptima cumplir los requerimientos. HBM FiberSensing ha desarrollado una solución basada en sensores FBG, que aporta innumerables ventajas: Simplificación de cableado, sin necesidad de calibración, alta resistencia a cargas alternas, excelente comportamiento ante fatiga, insensibilidad frente a perturbaciones electromagnéticas (rayos, etc.), utilizable en entornos con atmósfera explosiva sin cableados especiales.

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