Detección de temperatura distribuida

Los sistemas de detección de temperatura distribuida ( DTS ) son dispositivos optoelectrónicos que miden temperaturas 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 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 ajustadas. Los cambios térmicos a lo largo de la fibra óptica causan una variación local en el índice de refracción, 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 (10–30 GHz) causan la dispersión Brillouin. Se produce un intercambio de energía entre la luz que viaja a través de la fibra y el propio material, lo que provoca un cambio de frecuencia en la luz incidente. Este cambio de frecuencia puede utilizarse para medir los cambios de temperatura a lo largo de la fibra. ^[1]

Las dimensiones de medición físicas, 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 la luz en la fibra. Como resultado de la atenuación 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 utilizar como un 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 de luz ( 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 dispersa sufre un desplazamiento espectral de una cantidad equivalente a la frecuencia de resonancia de la oscilación reticular. Por tanto, la luz dispersada desde la fibra óptica contiene tres proporciones 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 desplazados 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 obtiene a partir de la relación entre las intensidades de luz anti-Stokes y Stokes.

Existen 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 incorpora 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 pérdida de telecomunicaciones que detecta las señales de retrodispersión de Rayleigh (que son muy dominantes en comparación con la señal Raman) . El principio del OTDR es bastante simple y es muy similar a la medición del tiempo de vuelo que se utiliza para el radar . Básicamente, se envía un pulso láser estrecho generado por láseres semiconductores o de estado sólido a la fibra y se analiza la luz retrodispersada. A partir del tiempo que tarda la luz retrodispersada en regresar a la unidad de detección, es posible localizar la ubicación del evento de temperatura.

Las unidades de evaluación DTS alternativas utilizan el método de reflectometría del 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 forma compleja y luego se somete a la transformación de Fourier . Los principios esenciales de la tecnología OFDR son el modo de onda cuasi 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 dispersada Raman y el procesamiento de señales bastante complejo, debido al cálculo de FFT con mayores requisitos de linealidad 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, p. ej. 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 una potencia de pico menor en comparación con la tecnología OTDR, p. ej. láseres semiconductores compactos de larga duración. La retrodispersión detectada debe transformarse (de manera similar a la tecnología OFDR) nuevamente en un perfil espacial, p. ej. 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 desde lejos se superpongan con señales dispersas fuertes desde corta distancia, lo que mejora el ruido de disparo y la relación señal-ruido.

Utilizando estas técnicas es posible analizar distancias superiores a 30 km de 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 pulsos para OTDR o generador de código para correlación de código o modulador y mezclador de HF para OFDR, módulo óptico, receptor y unidad de microprocesador) y una fibra de vidrio de cuarzo como sensor de temperatura en forma de línea . El cable de fibra óptica (que puede tener una longitud de 70 km ^[5] ) es pasivo por naturaleza y no tiene puntos de detección individuales y, por lo tanto, se puede fabricar basándose en 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 en comparación con los sensores tradicionales. Además, debido a que el cable de detección no tiene partes móviles y una vida útil de diseño de >30 años, los costos de mantenimiento y operación también son considerablemente menores que para 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 segura 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.

En lo que respecta a la construcción del cable sensor, aunque se basa en fibras ópticas estándar , se debe tener cuidado en el diseño de cada cable sensor individual para garantizar que se proporcione una 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 entorno gaseoso ( el hidrógeno puede provocar un deterioro de la medición a través del " oscurecimiento por hidrógeno ", también conocido como atenuación, de los compuestos de vidrio de sílice) y la protección mecánica.

La mayoría de los sistemas DTS disponibles tienen arquitecturas de sistema flexibles y son relativamente fáciles 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 es mantenido por Energistics .

Al operar un sistema basado en mediciones ópticas, como la DTS óptica, se deben tener en cuenta los requisitos de seguridad del láser para instalaciones permanentes. Muchos sistemas utilizan un diseño de láser de baja potencia, por ejemplo, con clasificación de 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 una 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 sensores ópticos puramente pasivos es la ausencia de interacción eléctrica o electromagnética. Algunos sistemas DTS del mercado utilizan un diseño especial de bajo consumo y son inherentemente seguros en entornos explosivos, por ejemplo, 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.

Las distribuciones de temperatura se pueden utilizar para desarrollar modelos basados ​​en el método de descomposición ortogonal propia o el análisis de componentes principales . Esto permite reconstruir la distribución de temperatura midiendo solo en unas pocas ubicaciones espaciales ^[6]

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 implementados con tubos flexibles habilitados ópticamente, sistemas de intervención implementados con cable óptico slickline.
• Monitoreo de cables de potencia y líneas de transmisión ( optimización de capacidad de corriente )
• Detección de incendios en túneles, ^[7] cintas transportadoras industriales y edificios de riesgo especial
• Vigilancia de hornos de inducción industriales
• Integridad de los transportadores y terminales de gas natural licuado (GNL)
• Detección de fugas en diques y presas
• Monitoreo de temperatura en ingeniería de plantas y procesos, incluidas tuberías de transmisión
• Tanques y recipientes de almacenamiento

Más recientemente, el DTS también se ha aplicado al monitoreo ambiental :

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

• Detección acústica distribuida
• Rejilla de Bragg de fibra
• Sensor de fibra óptica
• Reflectómetro de dominio temporal
• Registro de pozos
• WITSML