Applus+ participa en el proyecto Shape Sensing para el desarrollo de un sensor de forma para la monitorización de estructuras críticas basado en tecnologías fotónicas

Las infraestructuras críticas son construcciones diseñadas para realizar una prestación de servicios fundamentales e indispensables, y cuya perturbación o pérdida durante la operación y durante la fase de construcción tendrían consecuencias potencialmente catastróficas.

Hoy en día, en todas las instalaciones industriales e infraestructuras civiles, resulta crítico realizar un control sobre su estado e incorporar toda la información recabada al proceso, contribuyendo a su digitalización. Aunque cada vez son más las prácticas de operación e ingeniería que se monitorizan digitalmente, hay muchos activos en estas industrias que todavía se controlan de forma manual y anticuada, a pesar de la criticidad de algunas de estas estructuras. Este es el caso de los tanques de almacenamiento, comúnmente utilizados en plantas químicas, petroquímicas y refinerías. Asimismo, también existe poca eficiencia en el ámbito de la medición de las deformaciones en tuberías y canalizaciones y control durante la fase de construcción de estructuras enterradas.

En este marco se ha presentado el proyecto Shape Sensing, que permite hacer seguimiento de los cambios que se producen en la geometría de cualquier elemento, anticipando fallos estructurales y minimizando por tanto las consecuencias y riesgos asociados a estos fallos. Este sistema pretende constituir una herramienta de apoyo al ciclo de vida destinada al control de la integridad estructural, contribuyendo a construir el concepto de activo inteligente mediante la tecnología de gemelos digitales o digital twins.

Este proyecto, iniciado en abril de 2021 y finalizado en marzo de 2022, ha sido liderado por Southern European Cluster in Photonics & Optics (SECPHO) y ha contado con la participación de Applus+ Norcontrol S.L.U. y Cálculo y Estructuras Sensadas S.L. (CALSENS) como miembros del consorcio.

Shape Sensing tiene como objetivo el desarrollo de un sensor de forma basado en tecnología FBG (Fiber Bragg Grattings, por sus siglas en inglés) que permita obtener, de forma continua y en tiempo real, la deformación en elementos de entre unos centímetros y cientos de metros de longitud.

El sistema está basado en el concepto de que la luz que viaja a través de las FBGs se refleja parcialmente, debido a la modulación del índice de refracción. La luz reflejada interfiere de manera constructiva en una determinada longitud de onda denominada longitud de onda de Bragg (λB) y se propaga hacia atrás en el núcleo de la fibra (figura 1b).

Figura 1. (a)

Figura 1. (b)

Figura 1. (a) Se ilumina una luz ultravioleta sobre una máscara de fase. Los dos órdenes de difracción (+1 y -1) generan un patrón de interferencia. El núcleo de la fibra está expuesto al patrón de interferencia para fabricar un FBG. (b) Representación esquemática de la FBG como fluctuación del índice de refracción en el núcleo de la fibra. La luz entrante se refleja en la longitud de onda de Bragg λ_B.

Como el espectro de FBG cambia cuando se ejerce una variación de la deformación en la región de la red, es necesario estimar los picos en la longitud de onda (conocida como longitud de onda de Bragg) del espectro de FBG y luego rastrear su cambio desde la posición de referencia para usar efectivamente una FBG para estimar una variación de la deformación.

Para detectar los picos en la longitud de onda que permitirán conocer las variaciones de las deformaciones, se utilizan interrogadores single board que permiten integrarse en el sistema de monitorización del elemento a controlar.

Una vez obtenidos los datos, se determina la forma mediante desarrollo de software implementado en Python. Las diferentes funciones que se han implementado se usan para:

• Configurar los parámetros del interrogador y activar el flujo de datos de los valores de pico de los sensores ópticos
• Configurar la matriz de las deformaciones, relacionada con los sensores conectados al interrogador
• Cálculo de las deformaciones y compensación en temperatura
• Cálculo de modulo y ángulo del vector de curvatura
• Reconstrucción de la forma y el cálculo de parámetros como la máxima hendidura de la barra