Détection distribuée par câble dans des environnements industriels | Corning

Cela fait plus de 50 ans que le premier brevet a été déposé concernant l'utilisation de la fibre optique comme un moyen de mesure des événements environnementaux. Le brevet US 03327584, accordé en 1967, décrit un faisceau de fibres qui éclaire simultanément une surface et capture également la lumière réfléchie. Au début des années 1980, des systèmes acoustiques à fibre optique pour réseaux de capteurs ont été utilisés pour les réseaux légers à large ouverture (LWWAA) pour les sous-marins de la classe Virginia, les réseaux remorqués et divers systèmes de surveillance.

L'utilisation de la détection par fibre optique pour la surveillance dans les puits dans l'industrie pétrolière et gazière se poursuit depuis 20 ans. Dans les années 2000, la détection de température distribuée a été utilisée, suivie de l'utilisation de la détection acoustique distribuée dans les années 2010. Bien que la technologie soit reconnue comme apportant de la valeur dans de nombreux cas, elle est loin d'être déployée sur tous les puits. Cependant, il est promis que la détection par fibre deviendra la norme dans certaines applications.

Au cours de la dernière décennie, la détection distribuée par fibre optique a été utilisée pour détecter et prévenir les fuites de pipelines de pétrole et de gaz à terre. À titre d'exemple, en 2016, OptaSense a remporté un contrat pour la fourniture d'une solution de détection et de sécurité des fuites pour le gazoduc transanatolien (TANAP). La solution surveillera plus de 1850 kilomètres de pipelines ainsi que la sécurité du périmètre de toutes les installations. Actuellement, plus de 15 000 kilomètres de pipelines sont surveillés par la technologie de détection par fibre dans le monde.

Il existe trois types de réseaux de détection par fibre.

Réseaux de capteurs ponctuels : dans un réseau de capteurs ponctuels, chaque capteur est discret et doit être acheminé individuellement. Les capteurs ponctuels sont généralement utilisés dans les déploiements de plus courte durée. Il est essentiel de comprendre où se trouvent les capteurs ponctuels le long d'un chemin donné pour pouvoir interpréter correctement les données reçues de l'environnement.

Réseaux de capteurs quasi-distribués : une version de la détection quasi-distribuée comprend l'utilisation de plusieurs réseaux de Bragg à fibre (FBG) qui sont intégrés dans la fibre. L'indice de réfraction du cœur de la fibre est modifié de telle sorte que certaines longueurs d'onde de lumière passent à travers tandis que d'autres sont réfléchies vers la source. Chaque FBG peut refléter une longueur d'onde spécifique, rendant chacun identifiable le long du chemin de fibre. En d'autres termes, les FBG agissent comme des filtres de longueur d'onde en ligne qui reflètent des longueurs d'onde spécifiques vers la source, et plusieurs FBG peuvent être utilisés dans un seul trajet de fibre. Comme pour les réseaux de capteurs ponctuels, il est essentiel de comprendre où se trouvent les FBG par rapport à ce qui est détecté pour interpréter correctement les données.

Distributed sensor networks—In a distributed sensor network, the number of sensors along an optical fiber is distributed, and the numbers vary based on the length of the system, the spatial resolution of the sensors, and the interrogator box used. Typically the spatial resolution of each sensor is 1 to 10 meters. Distributed sensing is accomplished by sending a pulse of light down a fiber and interpreting the backscattered light from that pulse. By looking at Rayleigh, Brillouin, and Raman backscatter, it is possible to detect acoustic, strain/temperature, and temperature, respectively. Distributed sensing can replace the often-cumbersome and costly integration of hundreds or thousands of separate sensors into a single continuous solution.

Il existe trois principaux types d'applications de détection distribuée.

• Avec la détection acoustique distribuée (DAS), les microphones «virtuels» sont répartis le long d'une fibre. Le nombre de microphones est basé sur une combinaison de résolution spatiale, de distance et de largeur d'impulsion. Selon le constructeur, chaque interrogateur a une portée typique de 30 à 50 kilomètres. Plusieurs interrogateurs peuvent être mis en réseau, ce qui donne à un seul opérateur des milliers de kilomètres à surveiller.
• Dans les applications de détection de température distribuée (DTS), les thermomètres «virtuels» sont répartis le long d'une fibre. Le DTS peut avoir une plage de 10 à 100 kilomètres, une résolution spatiale de 1 à 5 mètres, un temps de mesure de 2 à 30 minutes et une précision de mesure de température de <0,5 degrés à <5,5 degrés Celsius. Gardez à l'esprit que la plage, la résolution spatiale, le temps de mesure et la précision de la température sont interdépendants.
• La détection de déformation distribuée (DSS) comprend des jauges de contrainte «virtuelles» réparties le long d'une fibre. En utilisant un système Brillouin, il est possible de mesurer la déformation à une distance de plus de 65 kilomètres, une résolution spatiale d'environ 1 mètre et une résolution de déformation de moins de 10 microtrains.

Comme indiqué ci-dessus, dans un réseau de capteurs distribués, la lumière rétrodiffusée peut être décomposée en trois composants: Rayleigh, Brillouin et Raman.

La rétrodiffusion Rayleigh est principalement utilisée pour les applications acoustiques distribuées. Les signaux acoustiques ou les ondes sonores qui impactent la fibre provoquent de petits changements de l'indice de réfraction. Ces changements peuvent être détectés avec la rétrodiffusion Rayleigh lors de l'utilisation d'un réflectomètre optique cohérent dans le domaine temporel (COTDR). Une fibre optique monomode standard est généralement utilisée.

La rétrodiffusion Brillouin est utilisée pour les mesures de déformation et/ou de température. Lorsque la fibre est sous tension, un décalage de fréquence Brillouin peut être détecté et analysé. Le réflectomètre optique de domaine temporel Brillouin (BOTDR) est utilisé, ou pour une détection améliorée, un analyseur optique de domaine temporel Brillouin (BOTDA) peut être utilisé. Une fibre optique monomode standard est généralement utilisée.

La rétrodiffusion Raman est principalement utilisée pour les applications de détection de température. Afin de détecter les changements de température, le pic Raman anti-stokes, qui dépend de la température, et le pic Raman Stokes, presque indépendant de la température, sont comparés. La température est déterminée en fonction du delta entre les deux. Pour des distances plus courtes, une fibre multimode standard est généralement utilisée.

Selon Future Market Insights, les secteurs du pétrole et du gaz sont des moteurs clés de la croissance des réseaux de capteurs distribués et dominent le marché mondial des capteurs fibre optique distribués. La technologie peut par exemple être utilisée dans des puits et des conduites aériennes ou souterraines pour la détection et la prévention des fuites. La technologie est également précieuse dans le segment de la sécurité, pour les applications de sécurité périmétrique.

Sur le plan géographique, l'Amérique du Nordest considérée comme le plus grand marché pour les capteurs distribués et la détection de température devrait dominer la catégorie des applications.

Les réseaux de capteurs distribués ont de la valeur dans une variété d'applications, y compris les infrastructures de prévention et de détection des fuites de pipelines, les systèmes pétroliers et gaziers et la surveillance des puits.

DAS, DTS et DSS sont tous appropriés pour la prévention et la détection des fuites de pipelines. Un réseau DAS peut localiser les fuites le long d'un pipeline à partir du bruit créé lorsque le liquide ou le gaz se déplace à travers un petit trou. La fuite peut également créer une onde de pression négative générée à partir du différentiel de pression à l'emplacement du trou, qui parcourt ensuite la longueur de la canalisation et est détectée.

Un réseau DTS peut détecter les changements de température du sol autour des conduites de gaz haute pression via l'effet Joule-Thomson. Et en utilisant les réseaux DSS, une fuite d'une conduite de gaz à haute pression peut provoquer une modification de la température du sol via l'effet Joule-Thomson ainsi que le soulèvement du sol. Le mouvement du sol à proximité du pipeline peut également être détecté à partir d'une activité sismique ou géologique.

Les réseaux de capteurs distribués peuvent également être utilisés pour les ponts, les barrages et les digues, alarme incendie et surveillance, services publics d'électricité, surveillance des câbles ombilicaux, applications ferroviaires et bâtiments commerciaux. De plus, DAS, DTS et DSS peuvent être utilisés pour surveiller les systèmes sous-marins (tels que les lignes de flux, les pipelines et les raccords sous-marins). Les réseaux peuvent aussi servir pour la sécurité d'un périmètre et la protection des actifs, tels que les applications utilitaires (eau, énergie, communications), frontalières, industrielles (pétrochimie, raffinerie) et de transport (route, rail, port, aéroport).

Toutes les industries ont besoin de normes. Les normes contribuent à garantir la compatibilité et l'interopérabilité et contribuent également à simplifier le développement de produits. Dans l'ensemble, il existe peu de normes sur la détection distribuée par fibre optique, bien que plusieurs aient été publiées.

• Capteurs à fibre optique CEI 61757-1 - Partie 1: Spécification générique
• CEI 61757-1-1 Capteurs à fibre optique - Partie 1-1: Mesure de contrainte - Capteurs de contrainte à base de réseaux de Bragg à fibre, Edition 1.0, 2016-02
• CEI 61757-2-2 Capteurs à fibre optique - Partie 2-2: Mesure de température - Détection distribuée, Edition 1.0, 2016-05
• SEAFOM-MSP-01 - Spécifications de mesure pour la détection de température distribuée, janvier 2016

Afin de mieux faire connaître les avantages des technologies de détection optique, une nouvelle association professionnelle, la FOSA (Fiber Optic Sensing Association), a été créée. La mission de l’association est « d’éduquer l’industrie, le gouvernement et le public sur les avantages de l’utilisation de technologies de détection avancées basées sur la fibre optique pour renforcer la sécurité publique, promouvoir la sécurité des installations et des infrastructures essentielles et protéger l’environnement. " Le FOSA a été lancé en avril 2017 et a tenu sa réunion inaugurale en mai.

Comme dans d'autres réseaux, un réseau de capteurs distribués contient à la fois des composants actifs (boîtes source/interrogateur) et passifs (câble à fibre optique, matériel et connectivité). Lors de la sélection des composants, les facteurs suivants doivent être pris en compte.

• Une conception de câble compacte et robuste capable d'être déployée dans diverses conditions, y compris directement enterré, attaché et aérien
• Conception d'ouverture et fibre intégrée solide pour permettre une déformation et une sensibilité acoustique de pointe
• Fibre Market Insights prévoit que le marché de la détection par fibre optique croîtra à un taux de croissance annuel composé de 10,4% jusqu'en 2026. Le chercheur s'attend à ce que la détection de température devienne le leader de la catégorie des applications.
• Options de conception flexibles, avec un choix de propriétés de matériau et de fibre en fonction des exigences de l'application
• Options de câbles légers pour une installation facile

Les systèmes de détection distribués sont de plus en plus nombreux et peuvent offrir des avantages dans de multiples applications, comme l'immunité de la fibre optique aux interférences électromagnétiques. Dans les applications industrielles et de production où les conditions peuvent être difficiles et où la disponibilité et la fiabilité sont essentielles, ces réseaux permettent une surveillance continue et fournissent une analyse critique qui peut aider à détecter les problèmes potentiels avant qu'ils ne surviennent.

Dans cet article, vous avez découvert les différentes méthodes de détection, le fonctionnement de la technologie, les nombreux avantages et les applications potentielles. La détection distribuée de l'acoustique, de la température et de la déformation s'applique à bon nombre des mêmes secteurs où la fibre optique est utilisée pour les communications.

Au cours des 10 dernières années, la technologie a mûri et est maintenant utilisée pour surveiller des milliers de kilomètres de pipelines, des milliers de puits souterrains de pétrole et de gaz et plus encore. Avec une croissance du marché de la détection par fibre optique à un taux annuel composé de 10,4% par an de 2016 à 2026, la maturation du marché, des applications et des solutions se poursuit.

Avec la création de la Fiber Optic Sensing Association, la détection par fibre a un champion pour éduquer l'industrie et le gouvernement et accélérer l'adoption de la technologie. Si cet article est la première fois que vous entendez parler de la détection distribuée par fibre optique, ce ne sera probablement pas la dernière.