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1 SENSORES DE FIBRA ÓPTICA y SUS APLICACIONES en IO-CSIC Dr. Pedro Corredera Instituto de Óptica Daza de Valdés, CSIC Madrid

2 Instituto Mexica Sensores de fibra óptica Aplicaciones en IO-CSIC Sensor de medida de corriente polarimétrico Redes de Bragg Sensor de hidrógeno (H 2 ) Monitorizando trenes de alta velocidad en tiempo real Sensores totalmente distribuidos Guión de la presentación Sensores distribuidos Raman: monitorizando la temperatura en un transformador eléctrico Sensores distribuidos Brillouin: monitorizando temperatura y strain a largas distancias Trabajo con IMP FOCUS S.L.: Fiber Optics Consulting Services & Tecnologies

3 róleo 26 Oc ct-10 el Petr ano de Mexica tuto M Sensores de fibra óptica Fibra óptica como medio de comunicación de señales Fibra óptica como medio transductor: la magnitud a medir (sensar) se convierte en una propiedad de la fibra medible Cambios de intensidad Cambios de polarización Cambio de fase Cambios de longitud de onda Insti

4 tuto Mexica Sensores de fibra óptica: ventajas No se ven afectados por radiación electromagnética No emiten radiación electromagnética Sensado remoto a largas distancias Seguridad ante deflagraciones Facilidad de multiplexado mediante una única fibra óptica Pequeño tamaño y peso Posibilidad de monitorizar en tiempo real Tolerancia a altas temperaturas Estables y duraderas Seguridad ante intrusos Insti

5 tuto Mexica Puntuales/Locales Interferómetros Microcurvaturas Polarización Cuasidistribuidos Redes de Bragg Distribuidos Técnica backscatter lineal l (OTDR; OFDR) Scattering Brillouin Scattering Raman Sensores de fibra óptica: clasificación Parámetros medibles Temperatura Strain Presión Vibración Corriente eléctrica Salinidad Vibraciones, i etc Insti

6 tuto Mexica Monitorización de conductos de petróleo, gas y agua Aplicaciones presentes y futuras Monitorización de perforaciones Monitorización de diques Puentes Líneas de alta tensión Perímetros de seguridad Insti

7 tuto Mexica Aplicaciones presentes y futuras Aviónica Monitorización y control de Parques eólicos infraestructuras ferroviarias Control de plataformas continentales Control sísmico Gases y contaminantes Insti

8 Algunas experiencias en el IO-CSIC Instituto Mexica ano del Petróleo 26 Oct-10

9 tuto Mexica Insti Sensor polarimétrico: principio Efecto Faraday: cuando luz polarizada lineal atraviesa un material en el que se manifiesta el efecto magneto-óptico, se desfasa en su ángulo proporcional al campo magnético paralelo ala dirección de propagación de la luz. Desfase de la polarización F Constante de Verdet ( t ) V l B ( t ) dl Camino óptico en el material sensible al efecto Faraday Campo magnético

10 Instituto Mexica Sensor polarimétrico de fibra óptica Si el camino óptico da vueltas alrededor de un cable de corriente, a partir del teorema de Ampere, la fórmula puede escribirse de esta forma: Desfase de la polarización F Permeabilidad magnética del vacío PROYECTO IFZONE ( t ) 0 VNI ( t ) el Constante de Verdet Número vueltas de Intensidad de la corriente

11 Sensor polarimétrico de fibra óptica Instituto Mexica ano del Petróleo 26 Oct-10

12 Sensor polarimétrico de fibra óptica Instituto Mexica ano del Petróleo 26 Oct-10

13 Instituto Mexica Sensores basados en redes de bragg en fibra Condición de resonancia: λ B =2n e Λ (n y Λ)

14 Instituto Mexica Sensores basados en redes de bragg en fibra Responden a la vez a temperatura y tensión Parámetros Típicos pm/ 10 pm/ o C

15 tuto Mexica Sensores basados en redes de bragg en fibra: características Valores estándar de sensado de elongación: resolución: 1 1 µ máxima deformación medible: 100 m posibilidad de multiplexado: 1 canal 4 sensores 200 S/s existen multiplexores de hasta 1x64 Valores estándar de sensado de temperatura (depende del material con el que se recubra la red): resolución 0.1 ºC rango de medida -20 a 150 ºC (400ºC, con recubrimientos de polymida) Insti

16 Instituto Mexica Sensor de hidrógeno (H 2 ) PROYECTO SOMOS: OBJETIVO: conseguir un sensor de H 2 para monitorizar i corrosión en residuos nucleares reducción de fibra a 20 m láminas de Pd de 5-15 m 6-8 meses de duración

17 Instituto Mexica Monitorizando trenes de alta velocidad en tiempo real OBJETIVOS: Detectar el tren Identificar el tren Determinar velocidad y aceleración Determinar la carga dinámica por rueda Detección de ruedas con defectos MIFFO

18 Instituto Mexica Monitorizando trenes de alta velocidad en tiempo real Identificación del tren

19 Instituto Mexica Monitorizando trenes de alta velocidad en tiempo real Carga dinámica por rueda

20 26 Oc ct-10 róleo el Petr ano de Mexica Instituto M Monitorizando trenes de alta velocidad en tiempo real Carga dinámica por rueda Ruedas defectuosas

21 Instituto Mexica Laser, o Raman Componentes Anti-Stokes Brillouin Sensores totalmente distribuidos Componentes Stokes Rayleigh Brillouin Medio con scattering Raman

22 Instituto Mexica Tipos de Scattering: Sensores totalmente distribuidos Lineal: sensible a atenuaciones (Rayleigth, OTDR) Raman sensible a temperatura Brillouin sensible a temperatura y strain Raman Componentes Anti-Stokes Brillouin Componentes Stokes Rayleigh Brillouin Raman

23 Instituto Mexica Sensores distribuidos Raman: monitorizando la temperatura en un transformador eléctrico PROYECTO CRISALIDA I I a s n n 0 0 n n k k 4 4 exp hcn kt k

24 tuto Mexica Sensores distribuidos Raman: monitorizando la temperatura en un transformador eléctrico Problemas: Fibra multimodo. Poco rango dinámico Medidas relativas a calibraciones i previas 5 % de error Insti

25 Instituto Mexica Sensores distribuidos Brillouin: monitorizando temperatura y strain a largas distancias Optica al power (dbm) , , , , , , , ,10 g B 5 x m/w s 25 MHz Wavelength (nm) s 11 GHz Frequency shift (GHz) MIFFO Señal contra-propagante p desplazamiento Brillouin ( B ) coeficiente de ganancia Brillouin

26 Instituto Mexica Fiber Cómo funciona un interrogador Brillouin distribuido? Pump wave Inhomogeneous section Probe wave Probe wave at another frequency

27 tuto Mexica Sensores distribuidos Brillouin Amplitude (a.u.) de (a.u.) Amplitud Distance (km) Distance (km) Brillouin frequency shift (GHz) Brillouin frequency shift (GHz) Insti

28 tuto Mexica La medida se degrada con la atenuación de la fibra Sensores distribuidos Brillouin: largas distancias Insti Copyright Omnisens 2005 All rights reserved

29 Instituto Mexica Sensores distribuidos Brillouin: largas distancias Usar múltiples sistemas es difícil: Impacto en el precio Problemas de instalación Mantenimiento Soluciones: Un sistema de monitorización y repetidores ópticos Amplificación Raman distribuida. Si la fibra fuera transparente, no tendríamos este problema Las pérdidas materiales de la fibra no pueden reducirse mucho más Tampoco podemos incrementar mucho el bombeo Brillouin Y si utilizamos amplificación Raman para hacer la fibra lo más transparente posible?

30 Instituto Mexica Experimento Brillouin asistido por Raman: simulaciones

31 Experimento Brillouin asistido por Raman Instituto Mexica ano del Petróleo 26 Oct-10

32 Instituto Mexica Gain (%) Gain (%) Experimento Brillouin asistido por Raman: resultados Distance (10 km/div) Experimental Theoretical B=4.7 mw P=5.2 uw Experimental Theoretical B=18.8 mw P=0.25 uw R=305 mw a (%) G Gain (%) Experimental Theoretical B=1.9 mw P=1.7 uw R=350 mw B=3.2 mw Distance (10 km/div) Distance (10 km/div) Distance (10 km/div) P=0.4 uw R=610 mw Experimental Theoretical

33 Instituto Mexica Experimento Brillouin asistido por Raman: resultados

34 Instituto Mexica Colaboración en la Tesis doctoral de Pedro Salgado Futuro acuerdo más general (CSIC-IMP) IMP) Acercamiento a la problemática IMP Conferencia de Pedro en IFA. Proyecto tutelado Tesis doctoral Trabajo con IMP

35 tuto Mexica Proyecto tutelado: DESARROLLO DE UN MÉTODO DE CALIBRACIÓN DE INTERROGADORES DE REDES DE BRAGG EN FIBRA ÓPTICA Válido para la mayoría de interrogadores De alta precisión FBG Interrogador Fuente de Espectro Ancho Switch Interferómetro de Referencia Acoplador Filtro Sintonizable a Poten ncia transmitida relativa 1,0 08 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Potencia t ransmitida relativa Reflector de Fibra Óptica -60-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Diferencia de longitud de onda (nm) 0,175 nm -1,00-0,75-0,50-0,25 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 Diferencia de longitud de onda (nm) Insti

36 Instituto Mexica K (pm) ,6 nm ,7 nm 1561,4 nm ,7 nm ,5-2,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Diferencia de longitud de onda (nm) Interrogador Estático K (pm) nm nm nm nm Resultados ,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Diferencia de longitud de onda (nm) Interrogador Dinámico

37 Instituto Mexica Tesis doctoral: Investigación en el desarrollo de sensores de fibra óptica para medir vibraciones en ductos ascendentes (raisers) Profundizar en el uso de redes de Bragg como sensores de vibraciones: Acelerómetros Geófonos Medidores de flujo en fluidos (temperatura) Profundizar en el conocimiento de Brilloin, Raman y Rayleigth y sus posibilidades en aguas profundas

38 tuto Mexica FOCUS S.L.: Fiber Optics Consulting Services & Tecnologies Es una experiencia de spin off avalada por el CSIC Trata de comercializar los productos de la I+D Soluciones basadas en fibra óptica adaptadas a las necesidades de las empresas: Metrología de fibras ópticas Sensores de fibra óptica Láseres y fuentes de luz Detectores y medidores de potencia Insti

39 tuto Mexica Patrones de medida Metrología de fibras ópticas Artefactos y dispositivos de calibración de propiedades de fibras ópticas y equipos de medida de fibras ópticas Trazados a IO-CSIC OTDR: (SM/MM) Líneas recirculantes Fibras patrón Dispersión Cromática Dispersión de Polarización Pérdidas de retorno Asesoramiento en calibración y metrología Insti

40 Instituto Mexica Sensores Desarrollo de equipos de medida basados en las tecnologías conocidas: Bragg, Brillouin i y Raman Obras civiles: tren, carretera, viaductos Sensores de vibración (Aviónica) Tuberías, transporte de hidrocarburos Temperatura: energía eléctrica, eólica Seguridad en recintos Ingeniería Diseño de sensores más adecuados a la aplicación Disposición de sensores y fibras Selección de tecnología más adecuada

41 tuto Mexica Láseres de fibra, detectores y medidores de potencia Láseres de alta potencia Fuentes de supercontinuo Láseres pulsados para LIDAR Láseres anclados en frecuencia para aplicaciones industriales y tecnológicas (frecuencias de referencia, sensores de gases) Radiómetros de esfera e integradora a (patrón para a medidores do es de potencia en fibras) Artefactos para la medida de linealidad de detectores Insti

42 Instituto Mexica Monitorización de fugas en un oleoducto 2 tuberías Distancia 6,5 km. Completa monitorización en 30 min. Informes cada diarios. Resolución espacial 1 m 100 ml de líquido (0,1 ºC)

43 Instituto Mexica Monitorización de fugas en tuberías En transporte de líquidos En transporte de gases comprimidos

44 Cedida por Omnisens Instalación en tuberías Insti tuto Mexica ano del Petróleo 26 Oct-10

45 Instituto Mexica Comparación tecnología propuesta con existente Tecnología de monitorización existente Detección de fugas con FOCUS S.L. Las fugas sólo se detectan cuando la cantidad Se detectan fugas de pocos litros de líquido. Se de líquido perdido es grande. En este tiempo monitoriza a distancia, desde el laboratorio de el daño medioambiental puede ser grande o control y permite la pronta actuación sobre el haberse producido ya problema. Cuando el sistema detecta la fuga, ésta no siempre es fácil localizar. La detección se realiza en tiempos intermitentes o en tareas de inspección. Cuando la fuga se produce entre inspecciones las pérdidas no son detectadas. Las alarmas se generan de resultados y cálculos indirectos Las fugas pueden localizarse con resolución longitudinal de 1 m. Se minimizan los tiempos de respuesta y los gastos en excavaciones en su búsqueda. Solución permanente de monitorización para todos los puntos a lo largo de la tubería con medidas cada ½ hora (puede reducirse) Se dispone de información completa en tiempo real de la integridad de la tubería. En Web, mensaje a móvil o correo electrónico

46 tuto Mexica Beneficios de la utilización de la monitorización continua Beneficios en la gestión Mejora en la seguridad de la tubería y del personal de mantenimiento Aumenta la durabilidad de la instalación, ya que no requiere de acciones de mantenimiento. Las actuaciones mínimas sobre eventos clasificados. Se reduce el tiempo de inspección Beneficios a nivel de operaciones Las pérdidas se detectarán rápidamente y de forma remota. Minimiza riesgos sobre los operarios. Se usan señales ópticas no eléctricas El cable que se usa en el sensado es pasivo (fibra óptica, duración más de 30 años). El cable de fibra óptica puede usarse para la comunicaciones estándar por fibra óptica monomodo Sin riesgos de contaminación ió medioambiental Fugas inferiores i a 1 litro pueden ser detectadas. t d Monitorización de la integridad de la tubería Mejora la capacidad y de la productividad Sistema totalmente automatizado con reducción drástica de costes de operación y los errores por factores humanos Insti

47 tuto Mexica Características y capacidades del sistema FOCUS S.L. Monitorización ininterrumpida a lo largo de toda la longitud de la tubería. La monitorización se realiza de forma no intrusiva y no afecta al flujo del fluido que se transporta, ni es afectada por las condiciones de operación de la tubería. Detección y clasificación de eventos en la tubería Permanente y continua monitorización del clima y la tubería. Sin falsas alarmas. Permite: Descubrimiento de fugas de fluido transportado Erosión y corrosión de la tubería Migración del lecho por agentes geológicos Cruce de corrientes subterráneas, torrenteras y lechos de rios que puedan amenazar la integridad de la tubería Accidentes o intrusiones traumáticas sobre la tubería. (intrusiones destructivas de maquinaria) Insti

48 26 Oc ct-10 róleo el Petr ano de Mexica Instituto M Ejemplo de pérdidas monitorizada por temperatura Fibra sensora de movimientos de tierra Fibra sensora de fugas de fluido Fibra test presión de gas temperatura de referencia Fibra sensora de strain

49 Instituto Mexica IMP: Pedro Salgado Ing. Oscar Valle Molina CSIC-UAH-UGRUGR ADIF: Dr. Miguel González-Herraez, Dra. Sonia Martín López Dra. Maria Luisa Hernanz Dr. Juan Diego Ania-Castañón Dra. Ana Carrasco Sanz Massimo Filogramo Miguel Rodríguez Agradecimientos

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