Detección de temperatura distribuida - Distributed temperature sensing

Los sistemas de detección de temperatura distribuidos ( DTS ) son dispositivos optoelectrónicos que miden la temperatura por medio de fibras ópticas que funcionan como sensores lineales . Las temperaturas se registran a lo largo del cable del sensor óptico, por lo tanto, no en puntos, sino como un perfil continuo. Se logra una alta precisión en la determinación de la temperatura a grandes distancias. Normalmente, los sistemas DTS pueden localizar la temperatura a una resolución espacial de 1 m con una precisión de ± 1 ° C a una resolución de 0,01 ° C. Se pueden monitorear distancias de medición de más de 30 km y algunos sistemas especializados pueden proporcionar resoluciones espaciales aún más estrictas.

Principio de medición: efecto Raman

Las dimensiones físicas de medición, como la temperatura o la presión y las fuerzas de tracción , pueden afectar a las fibras de vidrio y cambiar localmente las características de transmisión de luz en la fibra. Como resultado de la amortiguación de la luz en las fibras de vidrio de cuarzo a través de la dispersión , se puede determinar la ubicación de un efecto físico externo de modo que la fibra óptica se pueda emplear como sensor lineal. Las fibras ópticas están hechas de vidrio de cuarzo dopado. El vidrio de cuarzo es una forma de dióxido de silicio (SiO 2 ) con estructura sólida amorfa. Los efectos térmicos inducen oscilaciones reticulares dentro del sólido. Cuando la luz incide sobre estas oscilaciones moleculares excitadas térmicamente, se produce una interacción entre las partículas de luz ( fotones ) y los electrones de la molécula. La dispersión de luz, también conocida como dispersión Raman , ocurre en la fibra óptica. A diferencia de la luz incidente, esta luz dispersa sufre un cambio espectral en una cantidad equivalente a la frecuencia de resonancia de la oscilación de la red. La luz dispersada desde la fibra óptica, por lo tanto, contiene tres partes espectrales diferentes:

  • la dispersión de Rayleigh con la longitud de onda de la fuente láser utilizada,
  • los componentes de la línea de Stokes de los fotones se desplazaron a una longitud de onda más larga (frecuencia más baja), y
  • los componentes de la línea anti-Stokes con fotones desplazados a una longitud de onda más corta (frecuencia más alta) que la dispersión de Rayleigh.

La intensidad de la denominada banda anti-Stokes depende de la temperatura, mientras que la denominada banda de Stokes es prácticamente independiente de la temperatura. La temperatura local de la fibra óptica se deriva de la relación de las intensidades de luz anti-Stokes y Stokes.

Principio de medición: tecnología OTDR y OFDR

Hay dos principios básicos de medición para la tecnología de detección distribuida, OTDR (reflectometría óptica en el dominio del tiempo) y OFDR (reflectometría en el dominio de la frecuencia óptica). Para la detección de temperatura distribuida, a menudo se emplea una tecnología de correlación de código que incluye elementos de ambos principios.

El OTDR se desarrolló hace más de 20 años y se ha convertido en el estándar de la industria para las mediciones de pérdidas de telecomunicaciones que detecta, en comparación con la señal Raman muy dominante, las señales de retrodispersión de Rayleigh . El principio de OTDR es bastante simple y muy similar a la medición del tiempo de vuelo que se usa para el radar . Esencialmente, un pulso láser estrecho generado por semiconductores o láseres de estado sólido se envía a la fibra y se analiza la luz retrodispersada. Desde el momento en que la luz retrodispersada regresa a la unidad de detección, es posible localizar la ubicación del evento de temperatura.

Las unidades de evaluación de DTS alternativas implementan el método de reflectometría de dominio de frecuencia óptica ( OFDR ). El sistema OFDR proporciona información sobre la característica local solo cuando la señal de retrodispersión detectada durante todo el tiempo de medición se mide en función de la frecuencia de una manera compleja y luego se somete a la transformación de Fourier . Los principios esenciales de la tecnología OFDR son el modo de onda casi continua empleado por el láser y la detección de banda estrecha de la señal de retrodispersión óptica. Esto se compensa con la medición técnicamente difícil de la luz dispersa Raman y el procesamiento de señal bastante complejo, debido al cálculo de FFT con requisitos de linealidad más altos para los componentes electrónicos.

Correlación de código DTS envía secuencias de encendido / apagado de longitud limitada a la fibra. Los códigos se eligen para que tengan propiedades adecuadas, por ejemplo, código binario Golay . A diferencia de la tecnología OTDR, la energía óptica se distribuye en un código en lugar de empaquetarse en un solo pulso. Por lo tanto, se puede utilizar una fuente de luz con un pico de potencia más bajo en comparación con la tecnología OTDR, por ejemplo, láseres semiconductores compactos de larga duración. La retrodispersión detectada debe transformarse, de forma similar a la tecnología OFDR, de nuevo en un perfil espacial, por ejemplo, mediante correlación cruzada . A diferencia de la tecnología OFDR, la emisión es finita (por ejemplo, 128 bits), lo que evita que las señales dispersas débiles de lejos se superpongan con señales dispersas fuertes de distancias cortas, mejorando el ruido de disparo y la relación señal / ruido.

Usando estas técnicas es posible analizar distancias de más de 30 km desde un sistema y medir resoluciones de temperatura de menos de 0.01 ° C.

Construcción de cables de detección e integración de sistemas

El sistema de medición de temperatura consta de un controlador ( fuente láser , generador de impulsos para OTDR o generador de código para correlación de código o modulador y mezclador de HF para OFDR, módulo óptico, unidad receptora y microprocesador) y una fibra de vidrio de cuarzo como línea de temperatura. sensor . El cable de fibra óptica (puede tener 70 km de longitud) es de naturaleza pasiva y no tiene puntos de detección individuales y, por lo tanto, se puede fabricar sobre la base de fibras de telecomunicaciones estándar. Esto ofrece excelentes economías de escala. Debido a que el diseñador / integrador del sistema no tiene que preocuparse por la ubicación precisa de cada punto de detección, el costo de diseño e instalación de un sistema de detección basado en sensores de fibra óptica distribuidos se reduce en gran medida con respecto a los sensores tradicionales. Además, debido a que el cable sensor no tiene partes móviles y tiene una vida útil de> 30 años, los costos de mantenimiento y operación también son considerablemente menores que los de los sensores convencionales. Los beneficios adicionales de la tecnología de detección de fibra óptica son que es inmune a interferencias electromagnéticas , vibraciones y es seguro para su uso en zonas peligrosas (la potencia del láser cae por debajo de los niveles que pueden causar ignición), lo que hace que estos sensores sean ideales para su uso en aplicaciones de detección industrial. .

Con respecto a la construcción del cable sensor, aunque se basa en fibra óptica estándar , se debe tener cuidado en el diseño del cable sensor individual para asegurar que se proporcione la protección adecuada para la fibra. Esto debe tener en cuenta la temperatura de funcionamiento (los cables estándar funcionan a 85 ° C, pero es posible medir hasta 700 ° C con el diseño correcto), el entorno gaseoso (el hidrógeno puede causar el deterioro de la medición a través del " oscurecimiento del hidrógeno ", también conocido como atenuación - de los compuestos de vidrio de sílice) y protección mecánica.

La mayoría de los sistemas DTS disponibles tienen arquitecturas de sistema flexibles y son relativamente simples de integrar en sistemas de control industrial como SCADA . En la industria del petróleo y el gas, se ha desarrollado un estándar de archivo basado en XML ( WITSML ) para la transferencia de datos desde instrumentos DTS. Energistics mantiene el estándar .

Seguridad del láser y funcionamiento del sistema

Cuando se opera un sistema basado en mediciones ópticas como DTS óptico, se deben considerar los requisitos de seguridad del láser para instalaciones permanentes. Muchos sistemas utilizan un diseño de láser de baja potencia, por ejemplo, con clasificación como clase de seguridad láser 1M , que puede ser aplicado por cualquier persona (no se requieren oficiales de seguridad láser aprobados). Algunos sistemas se basan en láseres de mayor potencia de clasificación 3B , que aunque son seguros para su uso por oficiales de seguridad láser aprobados, pueden no ser adecuados para instalaciones permanentes.

La ventaja de la tecnología de sensor óptico puramente pasivo es la falta de interacción eléctrica o electromagnética. Algunos sistemas DTS del mercado utilizan un diseño especial de baja potencia y son intrínsecamente seguros en entornos explosivos, por ejemplo, certificados según la directiva ATEX Zona 0.

Para su uso en aplicaciones de detección de incendios, regulaciones normalmente requieren sistemas certificados de acuerdo a las normas pertinentes, tales como la norma EN 54 -5 o EN 54 -22 (Europa), UL521 o FM (EE.UU.), cUL521 (Canadá) y / o de otro tipo nacional o local normas.

Estimaciones de temperatura mediante DTS

Las distribuciones de temperatura se pueden utilizar para desarrollar modelos basados ​​en el método de descomposición ortogonal adecuado o en el análisis de componentes principales . Esto permite reconstruir la distribución de temperatura midiendo solo en unas pocas ubicaciones espaciales

Aplicaciones

La detección de temperatura distribuida se puede implementar con éxito en múltiples segmentos industriales:

  • Producción de petróleo y gas: monitoreo permanente de fondo de pozo, sistemas de intervención desplegados con habilitación óptica de tubería en espiral, sistemas de intervención desplegados con cable óptico de línea de acero.
  • Monitoreo de cables de alimentación y líneas de transmisión ( optimización de ampacidad )
  • Detección de incendios en túneles, cintas transportadoras industriales y edificios de riesgo especial
  • Vigilancia de hornos de inducción industriales
  • Integridad de los transportistas y terminales de gas natural licuado (GNL)
  • Detección de fugas en diques y presas
  • Monitoreo de temperatura en la ingeniería de plantas y procesos, incluidas las tuberías de transmisión.
  • Tanques y recipientes de almacenamiento

Más recientemente, DTS también se ha aplicado para el monitoreo ecológico:

  • Temperatura de la corriente
  • Detección de fuentes de agua subterránea
  • Perfiles de temperatura en un pozo de mina y sobre lagos y glaciares
  • Temperatura ambiente de la selva tropical profunda a varias densidades de follaje
  • Perfiles de temperatura en una mina subterránea, Australia
  • Perfiles de temperatura en intercambiadores de calor de circuito de tierra (utilizados para sistemas de calefacción y refrigeración acoplados a tierra)

En monitorización de cables de potencia

En seguimiento ecológico

Detección de fugas en tuberías

En vigilancia de alcantarillado

  • OAC Hoes, RPS Schilperoort, WMJ Luxemburg, FHLR Clemens y NC van de Giesen. Localización de conexiones ilícitas en alcantarillas de aguas pluviales mediante sensores de temperatura distribuidos por fibra óptica. Water Research, volumen 43, número 20, diciembre de 2009, páginas 5187-5197 doi : 10.1016 / j.watres.2009.08.020
  • RPS Schilperoort, FHLR Clemens, detección de temperatura distribuida por fibra óptica en un sistema de alcantarillado combinado, tecnología de la ciencia del agua. 2009; 60 (5): 1127-34. doi: 10.2166 / wst.2009.467 .
  • Nienhuis J, de Haan CJ, Langeveld JG, Klootwijk M, Clemens FHLR. Evaluación de los límites de detección de la detección de temperatura distribuida por fibra óptica para la detección de conexiones ilícitas. Ciencia y Tecnología del Agua. 2013; 67 (12): 2712-8. doi: 10.2166 / wst.2013.176
  • Langeveld JG, de Haan CJ, Klootwijk M, Schilperoort RPS. Supervisión del rendimiento de un colector de separación de aguas pluviales con sensor de temperatura distribuido. Ciencia y tecnología del agua. 2012; 66 (1): 145-50. doi: 10.2166 / wst.2012.152 .
  • Schilperoort RPS, Hoppe H, de Haan CJ, Langeveld JG. Búsqueda de entradas de agua de lluvia en alcantarillas sucias mediante sensores de temperatura distribuidos por fibra óptica. Ciencia y tecnología del agua. 2013; 68 (8): 1723-30. doi: 10.2166 / wst.2013.419 .
  • película que ilustra la aplicación de DTS en alcantarillas mediante el uso del SewerOctopus de Royal Haskoning DHV Royal Haskoning DHV felicita a Egmond aan Zee por lograr la Bandera Azul (historia más larga) y Riooloctopus, opsporen van foutieve aansluitingen vanuit het riool (cortometraje de trabajo de campo)
  • Mats Vosse, Rémy Schilperoort, Cornelis de Haan, Jaap Nienhuis, Marcel Tirion y Jeroen Langeveld, Procesamiento de resultados de monitoreo DTS: detección automatizada de conexiones ilícitas, Práctica y tecnología del agua [1]

En detección de incendios

Ver también

Referencias