Los sistemas distribuidos de detección de temperatura ( DTS ) son dispositivos optoelectrónicos que miden temperaturas mediante fibras ópticas que funcionan como sensores lineales . Las temperaturas se registran a lo largo del cable del sensor óptico, es decir, no de forma puntual, sino de forma continua. Se logra una alta precisión en la determinación de la temperatura a grandes distancias. Normalmente, los sistemas DTS pueden localizar la temperatura con 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. Los cambios térmicos a lo largo de la fibra óptica provocan una variación local en el índice de refracción, lo que a su vez conduce a la dispersión inelástica de la luz que se propaga a través de ella. El calor se mantiene en forma de vibraciones moleculares o reticulares en el material. Las vibraciones moleculares a altas frecuencias (10 THz) son responsables de la dispersión Raman. Las vibraciones de baja frecuencia (10 a 30 GHz) provocan la dispersión Brillouin. La energía se intercambia entre la luz que viaja a través de la fibra y el propio material y provoca un cambio de frecuencia en la luz incidente. Este cambio de frecuencia se puede utilizar luego para medir los cambios de temperatura a lo largo de la fibra. [1]
Las dimensiones de medición física, 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. Mediante la amortiguación de la luz en las fibras de vidrio de cuarzo mediante dispersión se puede determinar el lugar de un efecto físico externo, de modo que la fibra óptica se puede utilizar 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 una 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 luminosas ( fotones ) y los electrones de la molécula. La dispersión de la luz, también conocida como dispersión Raman , se produce en la fibra óptica. A diferencia de la luz incidente, esta luz dispersada sufre un desplazamiento espectral de una cantidad equivalente a la frecuencia de resonancia de la oscilación de la red. La luz difundida por la fibra óptica contiene, por tanto, tres porciones espectrales diferentes:
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 entre las intensidades de la luz anti-Stokes y Stokes.
Hay dos principios básicos de medición para la tecnología de detección distribuida, OTDR (reflectometría óptica en el dominio del tiempo) y OFDR (reflectometría óptica en el dominio de la frecuencia). Para la detección distribuida de temperatura, a menudo se emplea una tecnología de correlación de códigos [2] [3] [4] que lleva elementos de ambos principios.
OTDR se desarrolló hace más de 20 años y se ha convertido en el estándar de la industria para mediciones de pérdidas en telecomunicaciones que detecta las señales de retrodispersión de Rayleigh (en comparación con la señal Raman, que es muy dominante ). El principio del OTDR es bastante simple y muy similar a la medición del tiempo de vuelo utilizada por el radar . Básicamente , se envía a la fibra un pulso láser estrecho generado por láseres semiconductores o de estado sólido y se analiza la luz retrodispersada. Desde el momento en que la luz retrodispersada tarda en regresar a la unidad de detección es posible localizar la ubicación del evento de temperatura.
Las unidades de evaluación DTS alternativas implementan el método de reflectometría en el dominio de frecuencia óptica (OFDR). El sistema OFDR proporciona información sobre la característica local sólo cuando la señal de retrodispersión detectada durante todo el tiempo de medición se mide en función de la frecuencia de forma 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 señales bastante complejo, debido al cálculo FFT con mayores requisitos de linealidad para los componentes electrónicos.
Code Correlation 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 agruparse en un solo pulso. Por tanto, se puede utilizar una fuente de luz con una potencia máxima más baja en comparación con la tecnología OTDR, por ejemplo, láseres semiconductores compactos de larga duración. La retrodispersión detectada debe transformarse (de manera similar a la tecnología OFDR) nuevamente 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 señales débiles dispersas desde lejos se superpongan con señales fuertes dispersas desde corta distancia, mejorando el ruido de disparo y la relación señal-ruido.
Utilizando estas técnicas es posible analizar distancias superiores a 30 km desde un sistema y medir resoluciones de temperatura inferiores a 0,01°C.
El sistema de medición de temperatura consta de un controlador ( fuente láser , generador de impulsos para OTDR o generador de códigos para correlación de códigos o modulador y mezclador HF para OFDR, módulo óptico, receptor y unidad de microprocesador) y una fibra de vidrio de cuarzo como temperatura en forma de línea. sensor . El cable de fibra óptica (que puede tener una longitud de 70 km [5] ) es de naturaleza pasiva y no tiene puntos de detección individuales y, por lo tanto, puede fabricarse a partir 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 diseñar e instalar un sistema de detección basado en sensores de fibra óptica distribuidos se reduce considerablemente en comparación con el de los sensores tradicionales. Además, debido a que el cable sensor no tiene partes móviles y su vida útil es 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 la interferencia electromagnética y la vibración 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 industriales. .
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 garantizar que se proporcione la protección adecuada a 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 ambiente 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 sencillos de integrar en sistemas de control industrial como SCADA . En la industria del petróleo y el gas se ha desarrollado un estándar de archivos basado en XML ( WITSML ) para la transferencia de datos desde instrumentos DTS. El estándar lo mantiene Energistics .
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 utilizado por cualquier persona (no se requieren oficiales de seguridad láser aprobados). Algunos sistemas se basan en láseres de mayor potencia con clasificación 3B , que, aunque son seguros para su uso por parte de oficiales de seguridad láser aprobados, pueden no ser adecuados para instalaciones permanentes.
La ventaja de la tecnología de sensores ópticos puramente pasivos es la ausencia de interacción eléctrica o electromagnética. Algunos sistemas DTS del mercado utilizan un diseño especial de baja potencia y son inherentemente seguros en entornos explosivos, por ejemplo, están certificados según la directiva ATEX Zona 0.
Para su uso en aplicaciones de detección de incendios, las regulaciones generalmente requieren sistemas certificados de acuerdo con las normas pertinentes, como EN 54 -5 o EN 54 -22 (Europa), UL521 o FM (EE. UU.), cUL521 (Canadá) y/u otras normas nacionales o locales. estándares.
Las distribuciones de temperatura se pueden utilizar para desarrollar modelos basados en el método de descomposición ortogonal adecuada o el análisis de componentes principales . Esto permite reconstruir la distribución de la temperatura midiendo solo en unas pocas ubicaciones espaciales [6]
La detección distribuida de temperatura se puede implementar con éxito en múltiples segmentos industriales:
Más recientemente, la DTS también se ha aplicado para el seguimiento medioambiental :
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