Análisis de rentabilidad de los sistemas de tecnología óptica de HBM

La tecnología óptica está ganando una creciente popularidad en multitud de aplicaciones. A medida que evoluciona, va ofreciendo más y más ventajas.

Los sensores e interrogadores FBG (fibra con rejilla de Bragg) permiten obtener medidas de alta precisión:

Cuando existen grandes distancias (del orden de varios kilómetros) o situaciones muy específicas (campos magnéticos potentes, interferencias electromagnéticas o de RF intensas, riesgo de explosión, etc.).
Cuando se conecta un gran número de sensores de distintos tipos a una única fibra óptica, reduciendo la complejidad de la instalación y de la red.
En ubicaciones y puntos de medición de difícil acceso, gracias al pequeño tamaño y el peso reducido de la fibra.

Si comparamos el precio de los sensores y sistemas de adquisición de datos ópticos o convencionales, vemos que los componentes ópticos son más caros. No obstante, si nos fijamos en la solución completa, descubriremos que la tecnología óptica puede resultar más rentable.

Los sensores ópticos y, en especial, los de fibra con rejilla de Bragg (FBG) son también una buena elección en cuanto a rentabilidad de costes. Parece difícil de creer a primera vista, pero si lo analizamos en profundidad, nos daremos cuenta de que un sistema de tecnología óptica puede ahorrarnos dinero.

La cadena de medida óptica, del sensor al software

Los sensores e interrogadores ópticos de HBM son estables y fiables durante toda su vida útil.

Los interrogadores ofrecen una alta densidad de canales y permiten instalar varios sensores en una misma línea. Con ello se reduce la longitud y complejidad del cableado, y se simplifica la instalación.

En HBM ofrecemos toda la cadena de medida; desde los sensores a los sistemas DAQ, pasando por el software y los accesorios. Por ello, tenemos una visión completa de los costes asociados. A continuación, repasamos el coste de los componentes individuales y su impacto en el coste del conjunto del sistema.

1. Sensores ópticos

En términos de precio unitario de los sensores, los sistemas ópticos tienden a ser más caros que los sensores convencionales. Por tanto, un sistema óptico con un alto número de sensores será más caro.

Pero, ¿por qué son más caros los sensores ópticos? Porque aportan una serie de ventajas:

Son inmunes a las interferencias electromagnéticas (EMI).
Son aptos para atmósferas con alto riesgo de explosión o con otras condiciones adversas.
Buena estabilidad de la señal a largo plazo (sin deriva) y referencia al cero absoluto.
Multiplexación de varios sensores y posibilidad de instalar sensores de distintos tipos en una misma fibra óptica.
Más delgados y ligeros que los cables de cobre.

2. Sistema DAQ

Un sistema de medición óptica también requiere un sistema de adquisición de datos.

De nuevo, el coste unitario de un sistema DAQ óptico de HBM es superior al de uno convencional. Ahora bien, un dispositivo óptico puede adquirir señal de un mayor número de sensores que un sistema convencional. Con la tecnología óptica, cada nuevo dispositivo se hace cargo de más sensores. Eso significa que, en algún punto, la solución óptica es tan rentable como la convencional.

Así, en lugar de tener comprar varios módulos de adquisición de datos para conectar un gran número de sensores, la solución óptica ya ofrece una alta densidad de canales y evita la necesidad de invertir en dispositivos DAQ adicionales.

3. Accesorios

Para que un sistema funcione y para conectar todos sus elementos entre sí se necesitan accesorios, como cables, protecciones, etc.

Como la fibra óptica es más barata que los cables de cobre, hay una clara ventaja de costes en este capítulo. De paso, permite optimizar las longitudes de cable, ya que se pueden conectar varios sensores ópticos a una misma fibra.

4. Instalación del sistema

La instalación es una partida importante dentro del coste total. El tiempo de instalación crece proporcionalmente al número de puntos de medición y, como todos sabemos, el tiempo cuesta dinero. Un proyecto de instalación requiere técnicos, transporte, alojamiento, etc. Si comparamos la instalación de un sistema óptico con la de uno eléctrico, la inversión “base” de un sistema óptico es más alta. Sin embargo, a medida que crece el número de sensores, el sistema óptico resulta más atractivo, porque la instalación de cada sensor individual es más rápida y el tendido de cable es más sencillo.

Si buscamos el punto de equilibrio, la solución óptica no tarda en resultar más económica.

En sistemas con bajo número de sensores, la solución óptica resulta algo más cara. En cambio, en cuanto aumenta el número de sensores, la situación cambia rápidamente.

5. Aplicaciones especiales

Un sistema óptico resulta netamente superior en cuanto la aplicación tiene algo de “especial” y requiere un extra de protección o precaución. Por ejemplo, instalaciones en zonas ATEX o en alta mar. Para este tipo de entornos existen soluciones tanto convencionales como ópticas, pero en estos casos un sistema convencional supone un mayor esfuerzo a causa de las características de los materiales que utiliza.

En estas situaciones, el punto de equilibrio se aproxima más al origen del gráfico. En las aplicaciones especiales, la tecnología óptica puede ser más rentable incluso para unos pocos canales.

Conceptos híbridos, lo mejor de cada tecnología

Ninguna de las dos tecnologías es superior a la otra en todos los problemas y desafíos. Por eso, a veces la mejor solución es un concepto híbrido; es decir, una combinación de tecnología óptica y convencional. Y HBM es uno de los pocos fabricantes del mercado que la ofrece.

El nuevo interrogador óptico QuantumX MXFS BraggMETER de HBM es la herramienta perfecta para abordar mediciones híbridas. Forma parte de la familia QuantumX y combina en una misma plataforma las tecnologías óptica y eléctrica. En otras palabras, con un único software, con adquisición simultánea y sincronizada de todos los datos, para que los ingenieros puedan seleccionar la mejor solución para cada medida.

Como el módulo MXFS es parte de la familia QuantumX, resulta muy fácil integrarlo en una cadena de medida eléctrica. Para transferir señales, dispone de conexiones a través de Ethernet, FireWire o backplane. Puede adquirir datos analógicos o señales de bus CAN.

Todos los módulos QuantumX —incluido el MXFS— son compatibles con el software catman, que simplifica al máximo el análisis. Y, para entender los resultados, no hace falta tener grandes conocimientos sobre tecnología óptica.

Un ejemplo real: rentabilidad de un sistema de tecnología óptica

Proyecto:

Instalación de un sistema de monitorización de salud estructural en un puente de hormigón de 150 m, con 35 puntos de medida de deformación, 12 acelerómetros triaxiales, 10 sensores de desplazamiento y 4 sondas de temperatura.

En el caso del sistema óptico, deben incluirse 35 sensores de temperatura adicionales, con el fin de compensar el efecto de la temperatura sobre las medidas de deformación.

Desglose de las distintas partidas en el presupuesto total (pulse para ampliar):

Comparativa de costes:

Si comparamos el coste de las distintas partidas, vemos claramente que la mayor diferencia radica en el coste de los sensores ópticos, debido a que el número de sensores aumenta a causa de la necesidad de aplicar una compensación de temperatura.

Sin embargo, teniendo en cuenta el número de señales en juego, cuando se utiliza tecnología óptica el sistema de adquisición de datos resulta considerablemente menos costoso. Lo mismo ocurre con el coste de la instalación. La tecnología óptica también reduce considerablemente el coste de los accesorios (fundamentalmente cables, a causa de las distancias).

Ventaja en términos de costes entre un sistema óptico y uno convencional

En una estructura tan sencilla como la de este ejemplo, el coste de un sistema de monitorización de salud estructural con tecnología óptica supone en torno a un 95% del coste de un sistema convencional.

1. Sensores	142%
2. Adquisición de datos	57%
3. Accesorios	35%
4. Instalación del sistema	75%
TOTAL	67%

Conclusión ¿Cuándo merece la pena invertir en un sistema de tecnología óptica?

A primera vista, la tecnología óptica parece más cara que otras tecnologías convencionales.

Pero, después de sopesar todos los elementos que componen un sistema completo más el coste total de propiedad, no es más caro si el número de sensores es entre medio y alto.

La tecnología óptica también puede ser atractiva en aplicaciones con bajo número de sensores en entornos extremos, ya que los componentes ópticos plantean menos problemas y requieren menos protección.