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Fiber Optic DistributedTemperature Sensing
(FO – DTS)Metodología básica y ejemplo práctico de
su uso en campo
Laura del Val Alonso- Seminario GHS 19 Enero 2017-
Contenido
1. Evolución
2. Ventajas sobre otros métodos
3. Principio físico
4. Sistemas disponibles (DTS y fibras)
5. Calibración
6. Instalación
7. Tipos de adquisición
8. Conclusiones del método
1. Evolución del método
1980
• Prevención de incendios• Monitoreo de tuberías• Monitoreo de sistemas industriales
1995
• Geotermia• Monitoreo obra civil
• Hidrología
2006
• Hidrología subterránea
2010
2. Ventajas sobre otros métodos
On-site- Alta precisión- Alta resolución temporal- Baja resolución espacialEjemplo: termómetros de alta precisión
Off-site- Alta resolución espacial- Baja resolución temporalEjemplo: teledetección, cámaras infrarrojas...
On-side FO - DTS- Alta resolución temporal (10 s)- Alta resolución espacial (25cm)- Cobertura espacial (10Km)- Resolución temperatura ( max. 0.01 ºC)
3. Principio físico
Laser
Sensor Cable de Fibra Óptica
Laser
Revestimiento
Núcleo
Medidor señal de retorno
“Back-scatter”
Tiempo de retorno posición
3. Principio físico
Selker, J.S. et al., 2006. Distributed fiber-optic temperature sensing forhydrologic systems. Water Resources Research, 42(12).
Rayleigh Scattering- Principio físico: Cambios en la intensidad de la señal
reflejada debido a un cambio en la fibra.- Detecta sonidos- Resolucion espacial: 10m- Distancia máxima de 50 Km
Brillouin Scattering- Principio físico: Cambio en la frecuencia Stokes y Anti-Stokes debido a la variación mecánica en la densidad de la fibra- Detecta variaciones en
temperatura y tensiones
- Resolucion max 0.5m- Puede hacerse con
cables de telecomunicaciones
- Precisión 0.1ºC- Distancias de 30 hasta
100 km
Raman scattering- Principio físico: Cambio en la intensidad de Raman Anti-Stokes retornada debido una variación de energía cuántica en el choque que depende de la temperatura en ese punto- Detecta variaciones en
temperatura- Resolución max 0.25m- Precisión 0.01ºC (depende
del numero de fotones)- Distancias de 10km
4. Sistemas disponibles: Sensores
• 5/10km• Resolución espacial
25cm• Resolución
temperatura 0.01ºC
• 5/10km• Resolución espacial
50cm• Resolución
temperatura 0.01ºC
• 5/10km• Resolución espacial
50cm• Resolución
temperatura 1ºC
Monitoreo
Telecomunicaciones
4. Sistemas disponibles: Cables
Calibración:1. Atenuación de la señal
a) Atenuación diferencialb) Atenuación debido al DTS, cable e instalación
2. Saltos en la señala) Curvaturasb) Conectoresc) Fusiones
3. Cambios en la instalación a lo largo del tiempo y del cablea) Dilatación fusionesb) Tensiones en el cablec) Cambios por dilatación en el sensor
5. Calibración
5. Calibración: Tipos de calibraciones
a) Single ended
b) Duplexed single ended
c) Duplexed double ended
Single ended Double ended
Alta precisión cerca del sensor Alta precisión en el centro de la fibra
x No corrige efectos de tensiones, curvaturas y saltos
Corrige efectos de tensiones, curvaturas y saltos
Tiene en cuenta el off-set de la señal Tiene en cuenta el off-set de la señal
x Perdida diferencial de señal es constante a lo largo del cable
Tiene en cuenta la perdida diferencial de señal no homogénea a lo largo del cable
Solo se necesita un puerto en el DTS x Duplica conectores en el DTS
x La precisión varia mucho del inicio al final del cable
Tiene un nivel de precisión bastante homogéneo a lo largo de la FO
x Baños de calibración lejos del DTS Baños de calibración cerca del DTS
5. Calibración: Tipos de calibraciones
5. Calibración: “Single Ended”
Calculo explicito de los tres parámetros:3 puntos de referencia independientes o Secciones, con dos temperaturas diferentes
Calculo independiente de la atenuación
diferencial y explicito de C y :Solo dos secciones de referencia independientes o puntos
Hausner, M.B. et al., 2011. Calibrating Single-Ended Fiber-Optic Raman Spectra DistributedTemperature Sensing Data. Sensors, 11(12), pp.10859–10879.
• Ps: Stokes
• PaS: Anti-Stokes
• : Cambio energético entre la luz emitida y la de retorno
• C: Parámetro de calibración adimensional (DTS)
• : Atenuación diferencial
5. Calibración: “Double Ended”• Ps: Stokes
• PaS: Anti-Stokes
• : Cambio energético entre la luz emitida y la de retorno. Constante para cada DTS
• C: Parámetro de calibración adimensional (DTS). Puede variar con el tiempo.
• : Atenuación diferencial acumulada. Puede variar a lo largo del cable
van de Giesen, N. et al., 2012. Double-ended calibration of fiber-optic raman spectra distributedtemperature sensing data. Sensors (Switzerland), 12(5), pp.5471–5485.
2118 M. TANIGUCHI ET AL.
Figure 1. Schematic depiction (no scale) of processes associated with SGD. Arrows indicate fluid movement
be obtained because the distance from the shoreline for SGD may be unknown. In some cases, however,
sufficient information may be available to integrate SGD with distance away from the shoreline. In that case,
relatively precise estimates of groundwater flux per unit coastline are possible. For case (3), the total volume
of SGD cannot be evaluated without knowing the size of the area subject to the SGD flux.
For up-scaling or generalizing SGD, we need comparisons between observed (local) SGD and mod-
elled/calculated (regional or global) SGD. This is not only for validating the modelling that includes previous
global estimates, but also for estimating recirculated water. A continental-scale hydrogeological model that
includes heterogeneity of the aquifer may be needed to estimate the extent of recirculated seawater. Generic
models or other globalization approaches, such as typology, are needed to extrapolate to wider areas (Budde-
meier, 1996).
SGD AND COASTAL ZONE MANAGEMENT
Coastal environmental management concerns should certainly consider SGD where undesirable contaminants
in groundwater can be discharged into the nearshore marine environment. Although nutrient discharge from
fertilizers and sewage is by far the most common concern, virtually any form of contamination is possible. For
instance, nuclear-waste disposal plants are often planned to be located near the coastal zone in some countries,
such as in the UK (Chapman et al., 1986) and Japan, because it is difficult to find an arid environment in
these countries and it was accepted previously that the water does not move below the saltwater–freshwater
boundary. The coastal groundwater regime can also act as a geotechnically stabilizing (or destabilizing)
element to coastal zone systems, in terms of coastal zone sediment stability and coastal zone subsidence.
For example, Gambolati (1998) and Gambolati et al. (1999) revealed that coastal regression, erosion, and
sediment transport occurred in the Romagna region, Italy. They described that geomorphological changes
were caused by natural land subsidence due to deep downward tectonic movements and consolidation of
Copyright ã 2002 John Wiley & Sons, Ltd. Hydrol. Process. 16, 2115–2129 (2002)
Taniguchi, M., Burnett, W. C., Cable, J. E., & Turner, J. V. (2002). Investigation of submarine groundwaterdischarge. Hydrological Processes, 16(11), 2115–2129. http://doi.org/10.1002/hyp.1145
6. Instalación: Emplazamiento experimental Riera de Argentona
6. Instalación
6. Instalación
1º Instalación cable
6. Instalación 2º Conexiones de la fibra optica
6. Instalación3º Baños de calibración
6. Instalación
4º Instalación de DTS y puesta en marcha
7. Tipos de adquisición
1. Fibra Óptica pasiva: Monitoreo variaciones de temperatura naturales
2. Fibra Óptica activa: Seguimiento de cambios de temperatura del cable de fibra óptica mientras es calentado
7. Tipos de adquisición: Fibra Óptica activaRegulador de
potencia
+-
8. Conclusiones del método
• Proporciona una cobertura espacial y temporal inigualable, que permite estudiar procesos con gran detalle a escalas centimétricas y kilométricas.
• La instalación del cable es sencilla
• El sensor implica un alto coste
• La calibración y manejo de los datos puede ser tediosa