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Sensori a fibra ottica coerenti
per il monitoraggio di processi industriali
M. Ferrario e M. Mattarei
CEO & CTO di Cohaerentia, start-up del Politecnico di Milano
via Pinturicchio 5, 20131 Milano, Italia
www.cohaerentia.com
[email protected]
Abstract— La start-up Cohaerentia ha brevettato un innovativo sistema di diagnostica che combina le multi-parametriche capacità
di monitoraggio (temperatura, deformazioni, vibrazioni meccaniche, ultrasuoni, correnti e tensioni elettriche) delle fibre ottiche ad un
innovativo schema di demodulazione coerente dei segnali che sfrutta le recenti tecnologie ICT per offrire all’industria manifatturiera
una soluzione competitiva per attuare strategie di manutenzione predittiva e migliorare l’efficienza dei propri processi produttivi.
I. INTRODUZIONE
Efficaci strategie di Manutenzione Predittiva (MP) richiedono la disponibilità, in tempo reale, di un’elevato numero di dati
relativi alla condizione dei principali asset di impianti industriali, che devono pertanto essere costantemente monitorati da una
complessa pluralità di sensori dedicati (accelerometri, estensimetri, termocoppie), spesso associati a problematiche di manutenzione
e alimentazione. Le aziende manifatturiere quindi, se pur interessate ad attuare strategie di MP, si ritrovano spesso a scontrarsi con i
relativi costi di installazione e impatto sui macchinari. Sistemi di monitoraggio versatili e competitivi in termini di costo stanno
pertanto diventando attori chiave per l’effettiva realizzazione di strategie sostenibili di MP nell’industria manifatturiera.
In questo ambito, le tecnologie fotoniche possono dimostrarsi una valida alternativa sfruttando, ad esempio, le multiparametriche capacità di monitoraggio dei sensori a fibra ottica. Sistemi in fibra ottica sono già da tempo impiegati per il
monitoraggio di grandi infrastrutture civili o in ambito Oil&Gas offrendo la possibilità di un monitoraggio remotizzato e distribuito
su lunghe distanze. Tuttavia, questi sistemi sono tipicamente “dedicati” alla misura di uno specifico parametro (ad esempio di
temperatura) e hanno costi ancora proibitivi per proporsi come soluzioni di diagnostica nell’industria manifatturiera. Per superare
questo gap Cohaerentia propone un nuovo approccio alla sensoristica in fibra ottica in cui un unico HW universale (demodulatore
coerente) che viene “customizzato” solo a livello SW, attraverso un opportuno Digital Signal Processing (DSP), a seconda delle
differenti richieste di monitoraggio.
II. TECNOLOGIA COERENTE
La soluzione di Cohaerentia si basa sul ricorso ad una fibra ottica standard per telecomunicazioni come semplice elemento
trasduttore, in grado di collezionare simultaneamente differenti parametri relativi allo stato di un macchinario industriale, come
temperatura, deformazioni, vibrazioni meccaniche e consumi elettrici, permettendo così di evitare il ricorso ad una pluralità di
sensori convenzionali (Fig.1). Questi parametri inducono variazioni nella struttura della fibra sensore che a loro volta modificano
l’ampiezza A(t), la fase θ(t) e lo stato di polarizzazione σ(t) del segnale ottico propagante in fibra. L’elemento chiave della
tecnologia brevettata da Cohaerentia è un ricevitore coerente “a diversità di fase e di polarizzazione” per la demodulazione dei
segnali che permette di acquisire e separare tutte le variabili A(t),θ(t) e σ(t) del campo ottico, dalle quali viene poi estratto,
attraverso un’opportuna elaborazione digitale (DSP), l’informazione d’interesse (termica, meccanica, magnetica). La ricezione
coerente “a diversità di fase e di polarizzazione” è diventata recentemente una tecnologia disponibile in commercio, utilizzata nei
Mechanical,
thermal &
magnetic
information
ADC
&
DSP
COHERENT
RECEIVER
INSENSITIVE
LEADING
STANDARD OPTICAL CABLE
MECHANICAL STRESS
TEMPERATURE
VIBRATIONS & ULTRASOUNDS (UP TO 1000°C)
SENSING
ENVIRONMENTAL
PARAMETERS
FIBER
ENERGY
(UP TO KA, KV)
PRESSURE
(UP TO KBAR)
Fig. 1 Schema relativo al principio di funzionamento del sensore a fibra ottica coerente.
sistemi di comunicazione ottica ad elevata capacità trasmissiva. Cohaerentia ha adottato questa tecnologia integrandola in un
nuovo sistema di acquisizione per applicazioni di tipo sensoristico. A seconda delle richieste di monitoraggio l’HW coerente
viene specializzato solo attraverso un opportuno DSP integrato in FPGA oggi disponibili a prezzi accessibili (Arduino, Nucleo
STM). Questo permette a Cohaerentia di offrire oggi una piattaforma di monitoraggio facilmente riconfigurabile a seconda delle
diverse applicazioni e competitiva anche per settori come l’industria manifatturiera.
La tecnologia coerente offre la possibilità di un monitoraggio in tempo reale multi-parametrico, con una banda di acquisizione
fino ai MSample/s, capace pertanto di rilevare anche transitori veloci ed ultrasuoni. Inoltre, l’elevata sensibilità della rivelazione
coerente garantisce una risoluzione nelle misure di deformazione, temperatura e pressione dell’ordine, rispettivamente, di µε,
decimi di grado e bar, con un ampio range dinamico (± 104µε, ±200°C, kbar). Il nuovo sistema di Coherentia permette inoltre
misure di corrente e tensione per l’analisi di distorsioni armoniche e fattori di potenza, sia per applicazioni a basso consumo
energetico, sia per reti di distribuzione ad alta potenza (fino a centinaia di kV e kA).
III. APPICAZIONE INDUSTRIALE
Un esempio applicativo del sistema di Cohaerentia è relativo all’industria del packaging alimentare in cui la carta è sottoposta
a processi di sterilizzazione attraverso bagni di perossido, successivamente eliminato strizzando la carta attraverso coppie di rulli
gommati. Per garantire l’efficacia di questo processo di “strizzatura” vengono attualmente adottate strategie di manutenzione
preventiva, sostituendo ad intervalli regolari i rulli, indipendentemente dall’effettivo stato di usura della gomma. Cohaerentia ha
sviluppato, in collaborazione con l’azienda manifatturiera, una soluzione a fibra ottica per monitorare in tempo reale lo stato di
usura/contatto dei rulli gommati. In particolare, la sezione di fibra sensibile alla pressione tra i rulli viene posizionata tra l’anima
metallica del rullo e lo strato esterno di gomma durante le fasi di fabbricazione del rullo con temperature fino a 200 °C. Durante
la rotazione la fibra sensore è soggetta ad una deformazione dinamica risultante in picchi periodici nel profilo temporale del
segnale ottico di fase θ(t) acquisito a 50kS/s (Fig.2). La misura della pressione di contatto tra i rulli viene dedotta dall’ampiezza
dei picchi con un’accuratezza dell’ 1%. Il ricorso ad un giunto ottico rotante inserito nella flangia del rullo permette di estrarre il
segnale ottico dal rullo in rotazione e monitorarlo in remoto attraverso il sistema di interrogazione coerente.
Motor
Drive
Fig. 2 Esempio applicativo relativo all’industria del packaging alimentare.
Nella stessa applicazione, facendo aderire la fibra sensore alla superficie della flangia metallica del rullo e analizzando in
frequenza il segnale di fase θ(t), viene inoltre monitorato lo spettro vibrazionale dei cuscinetti della flangia, per diagnosticare
l’eventuale insorgere di armoniche identificative di un guasto o eccessiva usura dei cuscinetti. Infine, avvolgendo alcuni giri di
fibra sensore intorno al cavo di alimentazione del macchinario è possibile effettuare anche un monitoraggio dei consumi di
corrente. L’informazione di corrente è ottenuta in questo caso attraverso un’analisi della rotazione della polarizzazione σ(t) del
segnale ottico, indotta per effetto Faraday dalla presenza di un campo EM.
In questa specifica applicazione industriale, la capacità di misura di fenomeni ad alta frequenza offerta dalla rivelazione
coerente e la resistenza delle fibre a condizioni estreme sono stati i fattori principali che hanno inizialmente concorso alla scelta di
una soluzione in fibra ottica rispetto ad una basata su sensori di pressione convenzionali. La versatilità del sistema è stata poi
sfruttata per supportare ulteriori applicazioni di MP, confermando come il sistema in fibra ottica di Cohaerentia risulti una
soluzione di monitoraggio innovativa e competitiva per la diagnostica di macchinari e impianti nell’industria manifatturiera.