Introducción

A partir de fibras ópticas se han desarrollado diferentes sensores ópticos para la detección de fugas de líquidos orgánicos. Este artículo describe un nuevo diseño de un sensor óptico distribuido, que ha sido objeto de una patente internacional (Marquez Lucero, A. and Fuentes Riquelme, P., “Device for the Detection and Localization of Organic Solvent Leakages and Fabrication Process”, United States Patent, No. 5,574,377, 1994).

Objetivos

Desarrollar un producto que tiene como objetivo realizar un monitoreo continuo de fugas pequeñas a lo largo de tuberías y tanques de almacenamiento en una instalación. El producto está constituido por un sensor distribuido, en forma de cable para detectar y localizar (con gran precisión) microfugas de hidrocarburos.

Materiales y Métodos

El sensor se desarrolló a partir de un filamento polimérico de radio Rc = 5 mm, donde una fibra óptica de radio Rf = 0.25 mm se coloca excéntricamente y un alambre de acero inoxidable de radio Rw = 0.2 mm se enrolla en el exterior del filamento con un espaciado de rosca específico. Utilizando los filamentos descritos anteriormente, se elaboró un prototipo de sensor (Fig. 1).

Figura 1. Diseño del sensor óptico distribuido.

La malla se introdujo para dirigir el hinchamiento preferiblemente hacia la fibra óptica. El alambre helicoidal se colocó usando diferentes espaciamientos de roscas (paso) de 1 mm a 10 mm. Para probar cada prototipo, se utilizó una fibra óptica de 300 m. Esta fibra se conectó a un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR) Tektronix, modelo TPF2A. Todos los prototipos se probaron mediante inmersión directa en gasolina a temperatura ambiente. La zona de prueba tenía 30 cm de largo y siempre se colocaba a una distancia de 280 m desde el comienzo de la fibra.

Resultados y discusión

La Fig. 2 ilustra el comportamiento de hinchamiento del filamento polimérico cuando se sumerge en gasolina. Se observa que el aumento máximo de diámetro es de aproximadamente un 66%, después de 6 horas de inmersión. Sin embargo, después de tan solo 30 min, el aumento de diámetro alcanza aproximadamente un tercio de este máximo: 33%, y en pocos minutos muestra un aumento del 10%. Sin embargo, este proceso es lento en comparación con los mostrados por otros polímeros.

Figura 2. Incremento en el diámetro del sensor con el tiempo de inmersión de este en hidrocarburos.

La Fig.3 muestra el aumento de la atenuación con malla y una separación entre hilos de alambre de 7 mm, en tres momentos diferentes. A los 60 min, se hace presente un paso muy claro en el lugar del evento. La atenuación representada por este paso es de 2.52 dB. A los 90 minutos, la atenuación aumenta a 3.63 dB y se mantiene en este nivel. Es importante mencionar que este rango de atenuación es muy conveniente, ya que permite localizar con precisión el evento, al mismo tiempo que permite examinar el resto de la línea del sensor.

Este nuevo sensor óptico para la detección de fugas, presenta las siguientes ventajas: a). el hinchamiento del filamento polimérico se realiza en una dirección preferencial permitiendo concentrar la presión osmótica hacia la fibra óptica, mejorando su velocidad de respuesta. b). Además, la fibra está ubicada en un canal capilar ubicado excéntricamente dentro del filamento polimérico; así, la fibra óptica está protegida del entorno haciendo innecesaria una capa de recubrimiento externa y, lo que es más importante, c). la fibra está libre de tensiones y deformaciones producidas por el contacto con otras partes del sensor (particularmente con el cable helicoidal). Las características anteriores disminuyen las pérdidas iniciales y permiten tener una menor atenuación de la señal y un mayor rango de autonomía. Este sensor utiliza una fibra óptica multimodo, que está conectada a un OTDR y a una computadora (PC) con un sistema de adquisición de datos.

Figure 3. Evolución de la gráfica de un refractómetro de dominio de tiempo óptico, conforme a una fuga provocada a 279 metros del punto de monitoreo.

Finalmente, para evaluar el beneficio de absorber la fibra en el filamento, los prototipos de sensores se probaron en dos formas: con la fibra embebida dentro del filamento y con la fibra colocada en su exterior. La primera prueba muestra una atenuación de 0.004 dB por metro, mientras que la segunda presenta una atenuación de 0.174 dB por metro. Estos resultados no son concluyentes ya que es necesario probar el sensor a una distancia mayor; pero dan una idea de la ventaja de absorber la fibra en el filamento elastomérico.

Conclusiones

Se concibió y probó experimentalmente un nuevo diseño de un sensor químico distribuido basado en los efectos de flexión de la fibra óptica. El diseño fue constituido por una fibra óptica unida a un filamento polimérico a través de un alambre helicoidal. Si un líquido o gas, compatible con el filamento polimérico, entra en contacto con el sensor, el filamento absorbe el líquido y se hincha, provocando la compresión de la fibra óptica contra el alambre helicoidal. Lo anterior produce una flexión sinusoidal de la fibra, generando la atenuación de la señal óptica que viaja a través de ella, lo que permite detectar la presencia de un líquido. El sensor óptico distribuido es capaz de detectar microfugas en tuberías y contenedores de hidrocarburos específico en las proximidades del sensor y la reflexión de la misma señal permite localizar con precisión este evento.