Introducción a las cadenas de medida ópticas con tecnología de fibra con rejilla de Bragg (FBG)

La integridad estructural de los túneles, los puentes, los oleoductos y otras estructuras grandes y costosas debe monitorizarse de forma regular y con buena eficacia de costes. El objetivo: garantizar que sean seguras y fiables.

En este tipo de situaciones, la monitorización de la salud estructural (SHM) tiene una importancia crítica [1], porque permite adoptar un planteamiento proactivo del mantenimiento y el seguimiento, en lugar de limitarnos a esperar a que se produzcan daños y entonces repararlos. Este enfoque proactivo puede ahorrar dinero y evitar tiempos de inactividad no planificados.

Sin embargo, la necesidad de aplicar una SHM fiable y precisa a las grandes infraestructuras suele obviarse por cuestiones de costes, confusión sobre qué sensores emplear o dificultades a la hora de interpretar los datos de deformación. Todo ello se convierte en un problema cuando se producen daños estructurales inducidos por la deformación. Y eso es algo que ocurre habitualmente, puesto que las obras civiles están expuestas a cargas constantes y agentes ambientales que causan desgaste y degradación a lo largo del tiempo.

Por ejemplo, los puentes sufren un deterioro estructural debido al aumento del tráfico y se ven igualmente afectados por las variaciones climáticas y por las condiciones meteorológicas adversas [2-3]. Los defectos de construcción, la actividad sísmica y las construcciones colindantes son otras tantas influencias negativas [4]. Sin una monitorización constante, no es posible detectar o predecir los fallos y los problemas estructurales, lo cual puede terminar en desastre. En Estados Unidos, por ejemplo, todos los puentes deben someterse a una inspección visual cada dos años, que ayuda a prevenir la aparición de defectos estructurales [5].

A pesar de ello, según la Infrastructure Report Card publicada por la ASCE en 2017, cerca del 10% de los puentes estadounidenses tienen algún tipo de problema estructural que los hace vulnerables [6]. Y, en Canadá, casi un tercio de los aproximadamente 75.000 puentes situados a lo largo de las autopistas presentan deficiencias estructurales [7]. Si esas deficiencias no se identifican y corrigen, se pueden producir costes de mantenimiento importantes, cierre de infraestructuras locales y, en el peor de los casos, colapso de estructuras y fallecimientos. En consecuencia, existe un mercado enorme para las tecnologías capaces de monitorizar el desgaste de las infraestructuras de forma sencilla y económica [8].

Estas son algunas de las cosas que hay que valorar para seleccionar los sensores ópticos de tecnología FBG correctos:

• ¿Dónde se van a instalar los sensores y cuál es el método de instalación preferido? Dependiendo de su diseño, los sensores pueden atornillarse, soldarse o pegarse con adhesivo. Eso significa que el método de instalación preferido limita las opciones disponibles. Por ejemplo, sobre una superficie metálica lo más normal es instalarlos mediante soldadura por puntos. Pero si la estructura es un depósito de GNL (o sea, un entorno peligroso) quizá sea preferible fijar los sensores a la superficie con un adhesivo.
• ¿Cuál es el rango de medida que se espera en cada punto? ¿Y qué resistencia a la fatiga se necesita? Los distintos sensores tienen límites de medición y de fatiga diferentes. El tipo de medidas que se requieran puede limitar el número de posibles sensores aptos.
• ¿Cuánta experiencia tiene su equipo de instalación? Los sensores —y las cadenas de sensores— se pueden suministrar provistos de conectores, para instalarlos de la manera más sencilla, sin necesidad de herramientas o formación especiales. Si lo que quiere es flexibilidad, también se pueden suministrar sin conectores, pero entonces necesitará un instalador que sea capaz de hacer las conexiones sobre el terreno.
• ¿En qué entorno van a trabajar los sensores? ¿Tienen que ser dieléctricos? ¿Necesitan tener cables reforzados? Hay sensores con diferentes niveles de protección, para el propio sensor y para los cables

No olvide que su interrogador está diseñado para medir la señal que producen sus sensores. A la hora de elegir un interrogador, preste atención a lo siguiente:

• ¿Qué frecuencia de muestreo necesita? Uno de los factores decisivos en la elección de un modelo u otro es la velocidad de adquisición del dispositivo.
• ¿Con qué precisión absoluta tiene que medirse la longitud de onda? En los sensores FBG, la resolución y la precisión absoluta vienen dados no solo por los errores asociados a los procedimientos de calibración sino también por la resolución y la precisión del interrogador, combinado con la sensibilidad de los sensores. Algunos instrumentos incluyen una referencia absoluta con trazabilidad NIST que garantiza una precisión superior en la determinación de la longitud de onda de cada FBG.
• ¿Cuántos sensores de rejilla de Bragg desea leer? La capacidad de medida de un interrogador viene dada por el intervalo de longitud de onda disponible y el número de conectores ópticos. El número de sensores que puede leer un interrogador depende de varios factores: 
  • el intervalo de longitud de onda que necesita cada sensor para proporcionar medidas completas, en relación con el intervalo de longitud de onda total disponible en el interrogador;
  • las pérdidas ópticas en la línea del sensor debidas a las conexiones y el cableado, en relación con el rango dinámico del interrogador;
  • la capacidad de procesamiento del interrogador.
• ¿Busca un equipo industrial que funcione en continuo o un sistema para hacer pruebas o utilizar durante la instalación? Los equipos con baterías y ordenadores integrados son una mejor opción cuando se hacen mediciones cortas y espaciadas. También hay equipos con otros factores de forma, idóneos para instalación en racks de 19 pulgadas, por ejemplo.
• ¿Qué nivel de complejidad de software necesita su sistema? No todos los programas de software son compatibles con todos los tipos de interrogadores

También hay algunas consideraciones importantes que afectan a la elección del software:

• ¿Es sencilla la interfaz de software? ¿Qué clase de realimentación visual se necesita? Un software complejo y difícil de utilizar puede causar dolores de cabeza innecesarios. Tampoco es recomendable usar un software o drivers que requieran un equipo de desarrollo experto para manejar el sistema.
• ¿En qué soporte necesita los datos? ¿Se requiere almacenamiento en la nube o streaming IoT? ¿Es posible guardar los datos en una unidad USB?
• ¿Hay otros dispositivos en el sistema de medida que deban medir de forma sincronizada? Un software más complejo permite combinar varios dispositivos (incluso de distintos tipos), mientras que un software más sencillo estará limitado a un único dispositivo.
• ¿El software se necesita solo para una única aplicación? Un sistema de software versátil puede ser igual de fiable en aplicaciones móviles de campo y en ensayos de laboratorio.
• ¿El operario tiene un nivel de inglés suficiente? No todas las opciones de software se encuentran disponibles en distintos idiomas

Muchísimos ingenieros de todo el mundo confían en la precisión y la fiabilidad de los datos de medida que obtienen con la ayuda de los sensores, los interrogadores y el software de HBM.

Por ejemplo, los sensores ópticos de nuestra línea de producto newLight, con tecnología FBG, pueden medir grandes deformaciones con una alta estabilidad a largo plazo. Estos sensores son la mejor elección para las aplicaciones de monitorización de la salud estructural (SHM), debido a que se instalan de manera rápida y sencilla, y a que toleran bien los entornos difíciles.

Si hablamos de interrogadores ópticos, los instrumentos de HBM proporcionan medidas estáticas y dinámicas de alta resolución durante 24 horas al día, los 7 días de la semana. Por ejemplo, hemos desarrollado el nuevo modelo MXFS pensando en la monitorización estructural. En combinación con nuestros sensores ópticos, este interrogador garantiza una cadena de medida continua.

Por su parte, el software de HBM es el eslabón final de la cadena de medida óptica. Nuestro software de adquisición de datos —por ejemplo, catman— se encarga de procesar millones de juegos de datos y ayuda a obtener resultados con rapidez.

Una de las grandes ventajas de los productos de HBM es la posibilidad de combinar distintos sensores, interrogadores y software en función de las necesidades. Disponemos de un completo catálogo de productos de monitorización estructural y podemos suministrarle todo lo que necesita para medir deformaciones de manera precisa y fiable. La tabla siguiente muestra la compatibilidad entre los interrogadores y el software de HBM. Si desea más información acerca de estos productos o ayuda para elegir los componentes más adecuados para su cadena de medida óptica, póngase en contacto con nosotros.

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