Un'analisi del rapporto qualità - prezzo dei sistemi in tecnologia ottica HBM

La tecnologia ottica viene sempre più utilizzata in un gran numero di applicazioni in quanto offre notevoli vantaggi legati alla sua costante evoluzione.

I sensori e gli interrogatori FBG (Fiber Bragg Grating) consentono di effettuare misurazioni estremamente accurate:

Per lunghe distanze (nell'ordine di km) o in applicazioni caratterizzate dalla presenza di campi magnetici elevati, EMI / RFI intensi, rischio di esplosione, ecc.
In presenze di un numero elevato di sensori che, collegati a una singola fibra ottica, permettono di ridurre la complessità della rete e dell'installazione.
In tutti quei casi in cui i punti di misura sono difficili da raggiungere, grazie alla ergonomia di installazione e alla leggerezza della fibra.

Se si comparano i sistemi di acquisizione dati che utilizzano la tecnologia ottica con altri di tipo convenzionale, i costi risultano maggiori. Tuttavia, guardando alla soluzione nel suo complesso, è facile accorgersi come la tecnologia ottica in realtà sia più conveniente.

I sensori ottici, in particolare i sensori FBG, anche se a prima vista potrebbe essere difficile crederlo, rappresentano una buona scelta non solo dal punto di vista tecnico, ma anche dal punto di vista del rapporto qulità-prezzo. Approfondendo è possibile scoprirne i motivi.

La catena di misura ottica dal sensore al software

I sensori ottici e gli interrogatori HBM sono stabili e affidabili durante l'intero ciclo di vita.

Offrendo un'alta densità di canali, con gli interrogatori è possibile avere diversi sensori sulla stessa linea. Ciò riduce la lunghezza e la complessità del cavo e semplifica anche l'installazione.

HBM offre l'intera catena di misura composta da sensori, sistema DAQ, software e accessori, e offre la possibilità di valutare nel loro complesso tutti i costi. Diamo ora un'occhiata al costo dei singoli componenti, per arrivare a trarre le conclusioni complessive.

1. Sensori ottici

Nei sistemi ottici i sensori tendono ad essere un po' più costosi rispetto a quelli convenzionali. Pertanto, nel complesso un sistema ottico caratterizzato da un elevato numero di sensori diventa più costoso.

Ma allora perché i sensori ottici pur comportando costi iniziali un po' più elevati sono vantaggiosi?

Sono del tutto immuni alle interferenze elettromagnetiche (EMI)
Sono adatti in ambienti a rischio di esplosione e in altre condizioni estreme
Mantengono il segnale stabile sul lungo termine (nessuna deriva) con riferimento allo zero assoluto
Un'unica fibra consente di trasportare i segnali di più sensori anche di differenti tipologie (multiplexing)
Le fibre ottiche sono più sottili e leggere rispetto ai cavi di rame

2. Sistema DAQ

Un sistema di misurazione ottica necessita anche di un sistema DAQ.

Ancora una volta potrebbe sembrare che il costo unitario del sistema DAQ ottico HBM sia complessivamente più costoso di uno analogo sistema convenzionale. In realtà con un singolo dispositivo ottico è possibile acquisire le misure da un numero maggiore di sensori. La tecnologia ottica dunque consente con un unico dispositivo di gestire un numero molto maggiore di sensori, diventando più vantaggiosa in termini di costi.

Pertanto non è necessario acquistare più dispositivi di acquisizione dati, sostenendo i relativi costi, in quanto il sistema offre una densità di canali elevata.

3. Accessori

L' applicazione richiede ovviamente l'impiego di un certo numero di elementi aggiuntivi ad esempio le protezioni, i cablaggi ecc.

La fibra ottica si rivela molto più economica dei conduttori in rame, in quanto offre la possibilità di gestire i segnali in tecnica multiplex con evidenti benefici in termini di banda e lunghezza del cablaggio.

4. Installazione del sistema

Anche l'installazione incide in modo importante sui costi. I tempi di installazione aumentano con il numero dei punti di misura e di conseguenza aumentano i costi legati alla manodopera e di eventuali trasferte dei tecnici. L'installazione dei sensori ottici richiede maggiori attenzioni rispetto ai sensori convenzionali e ciò comporta costi potenzialmente superiori. Tuttavia, all'aumentare del numero dei sensori, la tecnologia ottica diventa più conveniente poiché l'installazione è più rapida e le operazioni di cablaggio molto più semplici.

Ragionando in termini di break-even point, la soluzione ottica risulta quindi più conveniente di quanto possa inizialmente apparire.

In conclusione valutando il numero dei punti di misura è spesso facile scoprire come la tecnologia ottica risulti più conveniente.

5. Applicazioni speciali

La competitività di un sistema ottico diventa reale quando si passa ad applicazioni "speciali" in cui è necessariio ricorrere ad ulteriori accorgimenti: ad esempio in aree ATEX o offshore. Anche se esistono soluzioni convenzionali in versione certificata per l'utilizzo in questi ambienti, queste sono molto costose poichè sono realizzate in esecuzioni particolari.

Tenendo conto di ciò, il punto di pareggio è quasi coincidente con l'origine del grafico. Vediamo quindi che per le applicazioni speciali, la tecnologia ottica può essere conveniente anche con un numero basso di sensori.

Concetto ibrido: ottenere il meglio da entrambi i mondi

Non esiste alcuna tecnologia in grado di risolvere tutti i problemi in maniera perfetta Quindi una soluzione ibrida che combina tecnologia ottica e convenzionale è spesso la scelta migliore. HBM è uno dei pochi fornitori sul mercato che offre entrambe le tecnologie, quindi questa possibilità.

Il nuovo interrogatore ottico HBM QuantumX MXFS BraggMETER ha una funzione chiave per quanto riguarda le misure ibride. Parte della famiglia QuantumX, MXFS BraggMETER combina tecnologia ottica e elettrica in un'unica piattaforma, con il vantaggio di utilizzare lo stesso software, raccogliere tutti i dati contemporaneamente, e mantenere le apparecchiature sincronizzate. Ciò consente agli ingegneri di scegliere la migliore soluzione disponibile per ogni misura.

Dato che MXFS è un modulo della famiglia QuantumX, è molto facile integrarlo nella catena di misura elettrica. Per trasferire segnali sono disponibili connessioni via Ethernet, FireWire o Backplane. I dati possono essere trasformati convertiti in analogicio o come segnali CAN.

Tutti i moduli QuantumX, anche MXFS, sono compatibili con il software catman, che consente di effettuare le analisi in modo semplice senza che si renda necessaria una conoscenza approfondita della tecnologia ottica per comprenderne i risultati.

Un caso reale: calcolo dei vantaggi di un sistema in tecnologia ottica

Obiettivo:

Installazione di un sistema di monitoraggio strutturale su un ponte di 150 m inclusi 35 punti di misurazione della deformazione, 12 accelerometri triassiali, 10 sensori di distorsione e 4 misurazioni della temperatura.

Per il sistema ottico, è necessario considerare altri 35 sensori di temperatura per compensare gli effetti indotti dalla temperatura sui valori di deformazione.

Distribuzione dei diversi pacchi sul budget complessivo (clicca per ingrandire):

Analisi dei costi:

Confrontando il costo di ciascuna componente, si nota chiaramente l'elevato costo dei sensori ottici.

Ma: tenendo conto del numero di segnali in questione, il sistema di acquisizione dati è più economico quando si utilizza la tecnologia ottica. Lo stesso accade con i costi degli elementi aggiuntivi e per l'installazione.

Vantaggio dei costi: ottico rispetto a convenzionale

Per una struttura così semplice, il costo di un sistema di monitoraggio strutturale in tecnologia ottica risulta pari a circa il 95% di quello di un sistema convenzionale

1. Sensors	371%
2. DAQ	60%
3. Accessories	40%
4. System Installation	75%
TOTAL	95%

Conclusione: vale la pena investire nella tecnologia ottica?

A prima vista la tecnologia ottica potrebbe sembrare più costosa delle tecnologie convenzionali.

Tuttavia, esaminando accuratamente tutte le componenti di sistema alla luce dei loro reali costi appare evidente la sua convenienza quando il sistema si compone di un numero di sensori medio-alto.

Invero, i sistemi ottici diventano economicamente interessanti anche in quelle applicazioni che si caratterizzano per un numero ridotto di sensori che, dovendo operare in ambienti estremi, possono avvantaggiarsi delle caratteristiche tipiche della tecnologia ottica.