Medición estructural con galgas extensométricas ópticas

Los sistemas Condition Monitoring (CMS) están diseñados para garantizar la eficiencia a largo plazo de los parques eólicos. En el futuro, también se encargarán de monitorizar componentes importantes, como las palas de rotor, las torres o la cimentación. En este tipo de aplicación, existe un interés creciente por la tecnología de sensores ópticos, como alternativa a la tecnología eléctrica.

Desde hace mucho tiempo se dedican considerables esfuerzos de I+D a la monitorización estructural y del estado de construcciones tales como puentes y edificios. HBM es un especialista en el análisis experimental de tensiones desde hace más de 6 décadas y ofrece soluciones perfectamente adaptadas en toda la cadena de medida. Incluso ha publicado numerosos resultados de ensayos en este campo. [1], [2], [3]

CMS para mantenimiento predictivo

La finalidad de los sistemas de monitorización del estado de los parques eólicos consiste en garantizar la eficiencia a largo plazo de la instalación. También hacen posible que los operadores de los parques practiquen un mantenimiento predictivo "a prueba de fallos", que se basa fundamentalmente en el historial de carga real de la instalación. Desde 2005, este tipo de CMS es obligatorio en los parques eólicos offshore, de acuerdo con la directiva para la certificación de parques eólicos offshore de Germanischer Lloyd [4], aunque inicialmente solo se requiere para la cadena cinemática. Los organismos certificadores (como, por ejemplo, DNV GL Renewables Certification) y otros grupos de expertos relevantes esperan ampliar los CMS a la monitorización de otros componentes importantes de los parques eólicos en el futuro; por ejemplo, las palas de los rotores, las torres y la cimentación. [5]; [6]

En esta aplicación, la tecnología de sensores ópticos se perfila como una alternativa a las instalaciones eléctricas. La tecnología de sensores ópticos ofrece numerosas ventajas, que ya han despertado un considerable interés:

  • La alta estabilidad de los sensores de fibra óptica a las cargas alternas se traduce en una larga vida de servicio (factor relevante: tensiones elevadas). [7]
  • No se ven afectados por los rayos, lo que elimina el peligro de destrucción de la tecnología de medición y la electrónica.
  • Perfecta compatibilidad electromagnética (no hay interferencia con señales electromagnéticas o bucles de corriente, etc.).
  • Las ventajas del cable de fibra óptica en comparación con los de cobre redundan en costes inferiores y menor gasto en materiales, con una reducción sensible del peso.

Aumento significativo del contenido de la información

Gracias a todas estas ventajas, la utilización de la fibra óptica permite instalar numerosos sensores distribuidos por toda la pala, lo cual enriquece notablemente el contenido de la información. Este incremento es posible, fundamentalmente, debido a la capacidad de multiplexación de los sistemas de adquisición de señal y enrutado de las líneas de fibra óptica. Igualmente, es posible crear soluciones híbridas, combinando galgas ópticas y sensores eléctricos. Estos sistemas son capaces de registrar cambios con mucha rapidez. [8]

En la mayoría de los casos se utilizan galgas extensométricas para monitorizar zonas cruciales, como la torre y la cimentación (se controlan parámetros dinámicos estructurales y se monitoriza la matriz de rigidez). En los sistemas eólicos offshore, sin embargo, los sensores deben soportar efectos de interferencia muy variados debido al entorno marino, lo cual exige un especial cuidado en el diseño de la aplicación y en su complejidad técnica. [9]

Resistencia a la humedad

A diferencia de la tecnología de galgas resistivas (eléctricas), los efectos de interferencia asociados a la humedad tienen poca influencia en las galgas ópticas. OptiMet, la tecnología de red de fibra de HBM, se encuentra disponible en formato de fibra revestida (OptiMet PKF con múltiples redes de Bragg en la cadena). [10]

En un sistema de medición a base de sensores de fibra óptica, el coste por canal de medida se reduce a medida que aumenta el número de sensores conectados. Es posible situar varias redes de Bragg una tras otra, formando una cadena de fibra óptica (típicamente de 8 a 13). Al mismo tiempo, este montaje reduce los costes de cableado en comparación con las galgas extensométricas eléctricas de forma proporcional al número de sensores. El uso de un interrogador resulta muy eficaz.

El potencial de los sensores de fibra óptica es máximo desde una perspectiva holística. En definitiva, las soluciones ópticas constituyen una estrategia atractiva con un futuro prometedor y posibilidades de expansión futura.

Referencias:

[1] Henke, V. "Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts"; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; páginas 10-20, Darmstadt, 2007

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: "Keeping an eye on the effects of heavy goods traffic: long-term monitoring of a prestressed concrete bridge," Nota de aplicación de 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; "Are our bridges safe? bridge monitoring with measurement technology from HBM," pp. 22-23; Revista de clientes "hotline" de HBM, nº 1/2012

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005

[5] Steingröver, K.; et al. "Condition Monitoring Systems for Wind Turbines: Current status and outlook on future developments from the perspective of certification"; informe de VDI sobre "Vibraciones en aerogeneradores", Bremen, 2010

[6] Steingröver, K.; et al. "CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer" [CMS para sistemas eólicos desde el punto de vista del certificador] "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, issue 5/2012, Göller Publishing house, Baden-Baden

[7] Frieling, G.; Walther, F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. En: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), No. 7, p. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen" [Detección temprana de daños en palas de rotores de parques eólicos], Lightweight Design issue 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004.

[10] HBM [online]. www.hbm.com, 2014. OptiMet by HBM

(jv)

* Dr. Karl-Heinz Haase, Product and Application Manager Optical Technology & Asset Monitoring; Dr. André Schäfer, Product and Application Manager Calibration/Wind Energy; Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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