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.