Millones de sensores para medir infraestructuras con un único cable de fibra
La integridad de puentes, presas y oleoductos puede ser monitorizada en tiempo real gracias a esta tecnología, sin necesidad de desplazarse para medir 'in situ'. Una investigación española acaba de conseguir aumentar a un millón el número de puntos de medida para un mismo cable
Una de las promesas de internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) es medir todo lo que pasa en el mundo a través de sensores instalados en cualquier sitio posible. Tráfico, flujo de personas, variables climáticas y otros muchos ámbitos podrían empezar a ofrecer millones de datos gracias a esta tecnología. Y también los edificios y las grandes infraestructuras como puentes, presas, oleoductos, turbinas eólicas, etcétera. Los sensores instalados en ellas permitirían monitorizar en tiempo real algunas de sus características más importantes, como su integridad estructural. Pero las propias cualidades de rodean a estas construcciones, como las altas temperaturas, los ambientes químicamente agresivos y la presencia de fuertes campos electromagnéticos, dificultan el uso de sensores basados en circuitos electrónicos.
Una alternativa son los sensores de fibra óptica, químicamente inertes, y resistentes a las altas temperaturas y los campos electromagnéticos. Gracias a ello, se podrían tomar datos en ambientes con riesgo de explosión, corrosivos, inflamables y otra serie de situaciones que harían inviable o extremadamente peligroso para las personas el tomar medidas.
Las lecturas con este tipo de aparato se basan en la deformación de la propia fibra causada por los cambios en las variables externas como la temperatura, presión, y desplazamientos. Esta deformación altera de forma claramente medible las propiedades de la luz transmitida por la fibra. Estas variaciones pueden ser medidas con un aparato específico situado en los extremos del cable, lo que permite tomar datos de puntos situados a kilómetros de distancia sin realizar desplazamientos ni necesitar que dichos puntos tengan acceso a corriente eléctrica para alimentar ningún aparato o para la transmisión de los datos.
Debido a este mecanismo de acción, la longitud entera del cable de fibra óptica se convierte en un sensor. O, dicho de otra forma, con un único cable pueden establecerse puntos de medida a lo largo de toda su extensión. "Un sensor distribuido de fibra óptica tiene la ventaja de transformar un cable como el que lleva el internet a las casas en un gran número de sensores", afirma el ahora ingeniero sénior en la empresa polaca InPhoTech dedicada a la investigación aplicada con fibra óptica Alejandro Domínguez.
En la actualidad, tanto el número de puntos medibles como la distancia máxima del cable en el que se encuentran están limitados por la intensidad de la señal de la luz utilizada en el momento de la medición en uno de los extremos de la fibra. "Los sensores comerciales tienen una longitud máxima de 100 kilómetros con un punto de medida por cada medio metro", explica el investigador del Instituto de Óptica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas Pedro Corredera. Esto supone tener un máximo de 200.000 puntos de medición para un cable de 100 kilómetros. Si la longitud del cable se reduce, la distancia entre puntos de medida que puede lograrse con la tecnología actual es de "entre 15 y 20 centímetros".
Para aumentar el número de puntos medibles hay que aumentar la potencia de la señal, pero esto conducía a la aparición de fallos y artefactos en los sensores. Antes de irse a Polonia, Domínguez pertenecía al grupo de Ingeniería Fotónica de la Universidad de Alcalá de Henares (España). Y desde allí, recientemente publicó un estudio en el que plantea una técnica que supera estos retos y logra aumentar hasta un millón el número de puntos disponibles para actuar como sensores a lo largo de una fibra óptica de un máximo de 10 kilómetros de longitud. Gracias a este enfoque, sería posible disponer de un punto de medida en cada centímetro del cable.
La solución de Domínguez, conseguida a nivel de laboratorio, "mejora en 10 veces las prestaciones de los sensores actuales", afirma su creador. El responsable detalla: "Había una problemática en los sensores comerciales y en nuestro grupo encontramos una forma de solventarla". Además, estima que su solución podría estar disponible en el mercado en no más de un año. Corredera, que no participó en este desarrollo, considera que el trabajo de Domínguez "supone un avance muy, muy importante".
Contar con un número de puntos de medición tan elevado hace que el coste por punto sensor sea relativamente bajo. Se ahorran cientos de miles de cables, alimentación de dispositivos electrónicos, la comunicación entre sensores, con sus correspondientes costes de instalación, operación y mantenimiento. Además, esto permite aumentar la resolución a la que pueden detectarse las variables de interés. Cada kilómetro de cable de fibra óptica cuesta alrededor de 10 euros, a lo que sólo habría que añadir el coste del aparato de medición que permite convertir la fibra en un sensor y que se utilizaría en su extremo u otros puntos de medición diseñados a lo largo de su recorrido.
Multitud de aplicaciones
Los cables de fibra óptica que llevan internet a los hogares ya recorren muchas de las infraestructuras construidas en la actualidad, como puentes y vías férreas. Por lo que resulta fácil incorporar un nuevo cable por el mismo hueco para disponer de un sensor capaz de medir fallos mecánicos en su estructura.
Foto: Representación del cableado de fibra óptica que haría de sensor a lo largo de un puente y sus elementos de suspensión. Crédito: Alejandro Domínguez/GRIFO.
Una de las principales aplicaciones actuales de los sensores de fibra óptica es en gasoductos y oleoductos, donde se usan para detectar fugas a lo largo de su recorrido de cientos de kilómetros. Otra aplicación es en las redes de alcantarillado. En esas circunstancias no es demasiado factible disponer de multitud de sensores a lo largo de las tuberías, pero sí es relativamente fácil tender un cable de fibra óptica con el que poder tomar medidas desde los agujeros de inspección, sin tener que sumergir al inspector o su equipo en las aguas fecales o fluidos inflamables y llegar hasta distancias imposibles de cubrir con sensores sin cables.
También son especialmente útiles en los parques de turbinas eólicas marinas, campo de especialidad de la empresa belga Zensor, dedicada a la instalación de sensores en infraestructuras y cuyo fundador Yves Van Ingelgem fue elegido Innovador del año en Bélgica en 2015 por MIT Technology Review en español. "La fibra es ideal para medir la deformación de los materiales de construcción con el paso del tiempo", afirma Van Ingelgem.
Medir estas deformaciones permite detectar la fatiga de los materiales, el desplazamiento de los componentes, la aparición de grietas, o, simplemente evaluar su comportamiento ante la carga. Todos estos parámetros resultan esenciales en las turbinas, pero también en puentes y otras grandes infraestructuras, como las presas. Todo este tipo de información sobre la calidad estructural permite tener que desplazar a un equipo técnico a realizar mediciones sobre la propia estructura construida a la vez que la mayor frecuencia de las comprobaciones permite anticipar los potenciales problemas y reducir por tanto los costes de reparación y mantenimiento de la infraestructura.
"En Reino Unido hay mucho interés por este tipo de aplicación", comenta Van Ingelgem, que precisamente se encontraba participando en un congreso sobre sensores en este país en el momento en que fue contactado para la redacción de este artículo. "En el pasado, los contratos los ganaba el que presentara el plan de construcción más económico, pero hoy en día se pretende que sean las más eficientes también en los costes de mantenimiento", afirma el innovador belga. "Esta es la revolución que esta tecnología permite en la actualidad", concluye.