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