DISPOSITIVO DETECTOR DE TENSION Y METODOS PARA MEDIR LA TENSIÓN
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitad Provisional de E.U. No. 60/743,203 presentada en Febrero 1 de 2006, en la Oficina de Patente y Marcas de los Estados Unidos los contenidos de la cual se incorporan en la presente mediante la referencia. 1. Campo de la Invención La presente invención se refiere a un dispositivo detector de tensión y a maneras para utilizar el dispositivo para medir la tensión. Más específicamente, la presente invención se refiere a un dispositivo detector de tensión que incluye una fibra óptica dentro de una sub-instalación, en donde la sub-instalación se reviste en un recubrimiento metálico el cual se encuentra acoplado por tensión a la sub-instalación . 2. Descripción de la Técnica Relacionada Los detectores de fibra óptica tienen una amplia variedad de aplicaciones para detectar parámetros tales como presión, tensión y temperatura. Los detectores de fibra óptica poseen varias ventajas sobre sus contrapartes eléctricas y electro-mecánicas. Por ejemplo, los detectores de fibra óptica pueden hacerse más pequeños, tener vigencias mayores y hacerse de vidrio no conductor, proporcionando asi inmunidad contra interferencias electromagnéticas. En la técnica relacionada, los detectores de fibra óptica se unen a una estructura de interés en tal forma que la tensión puede medirse utilizando herramientas convencionales. Algunos ejemplos de estructuras de interés incluyen, pero no se limitan a, tuberías de revestimiento para pozos petroleros, puentes, edificios, tuberías de vapor y cualquier otra estructura en donde la detección de tensión puede proporcionar datos predictivos sobre una falla potencial de la estructura. Algunas técnicas utilizadas para medir la tensión incluyen mallados de Fiber Bragg y un Reflectómetro de Dominio de Tiempo Óptico de Brillouin. La detección con mallado de Fiber Bragg incluye utilizar un detector que tiene una serie de perturbaciones de índice refractivo a lo largo de la fibra óptica y una fuente de luz acoplada a la fibra óptica. Los mallados de Fiber Bragg simplemente reflejan la luz que viaja en el sentido directo en el núcleo de la fibra óptica, atrás hacia el núcleo. Cuando el detector se somete a esfuerzo, tal como mediante compresión o tensión de la fibra óptica debido a fuerzas mecánicas o a un cambio de temperatura, el espaciamiento entre los mallados varia, lo cual correspondientemente varía el tiempo de arribo de la luz reflejada hacia el dispositivo. Este efecto es similar al de un acordeón, en donde la nota de salida cambia a medida que el acordeón se tensa y comprime. Monitorear el cambio en el tiempo de arribo de la luz reflejada puede entonces utilizarse para medir la tensión, temperatura o presión sobre la fibra óptica. El usuario puede entonces correlacionar la tensión sobre la fibra óptica para determinar la tensión sobre la estructura de interés. El equipo para medir la tensión se selecciona en base a las necesidades del usuario. Medir la tensión utilizando mallados de Fiber Bragg por ejemplo, permite al usuario medir la tensión en un ambiente dinámico con una mejora significativa en la velocidad. El detector de fibra óptica puede unirse a la estructura en diferentes formas. El detector puede unirse directamente a la superficie de una estructura existente. El detector puede también insertarse opcionalmente en una estructura ya sea durante o después de la construcción. Un problema con los detectores de tensión convencionales es que se limitan en su aplicación. Los detectores de fibra óptica de la técnica relacionada no son suficientemente robustos para emplearse en todos, excepto en las condiciones más moderadas. Además, aún los detectores que tienen algún recubrimiento protector no sobreviven a las condiciones necesarias para desplegar exitosamente estos detectores en ambientes que tienen peligros mecánicos, químicos y relacionados con la presión. Estos riesgos pueden tener un efecto no solo sobre el detector de la tensión en sí mismos, sino también el método de unión utilizado para unir el detector de tensión a la estructura de interés. Un ejemplo de un ambiente rudo en donde los detectores de tensión ordinarios no pueden sobrevivir típicamente es la aplicación de detección de tensión en componentes de pozos petroleros. Existe una necesidad documentada en la industria para medir la tensión sobre las tuberías de revestimiento de pozos petroleros. La capacidad para medir la tensión o anticipar un colapso potencial de un pozo petrolero se vuelve crítica para mantener la integridad del pozo, así como salvar el equipo desplegado para el lubricante para taladrar. Sin embargo, un pozo petrolero puede alcanzar profundidades de pozo de más de 15,000 pies. Adicionalmente, un pozo petrolero puede sumergirse adicionalmente en el agua y en algunos casos en agua salada. En este ejemplo, desplegar un detector de fibra óptica en tal ambiente sometería al detector a problemas de altas temperaturas del núcleo terrestre, alta presión debido a la profundidad y materiales químicos agresivos, lo cual puede provenir del agua, la tierra o ambos. Otros ejemplos de ambientes en donde la detección de tensión se vuelve crítica son los puentes o cualquier otra estructura de concreto. En este ambiente, puede empotrarse un detector de tensión dentro de la estructura de concreto, de tal manera que puede medirse la tensión sobre la estructura. La detección temprana de la fractura de la cimentación de la estructura permite al usuario realizar medidas correctivas tempranas el proceso de averia, salvando asi la estructura de una falla potencial total e inesperada. Un problema asociado con el empotramiento de los detectores de tensión de la técnica relacionada en tales estructuras se refiere a la integridad de la fibra óptica dentro del detector. Específicamente que la fibra óptica dentro del detector es demasiado débil para sobrevivir a un fractura potencial de la estructura; y la integridad de la fibra óptica puede se comprometería de incluso un pequeño cambio dentro de la cimentación. El problema anterior se encuentra particularmente prevalente en estructuras en donde se empotra el detector de tensión en el concreto en el momento en que se construye la estructura, proporcionando así el ajuste más apretado entre la estructura y el detector. Existe una necesidad para un dispositivo detector de tensión que puede sobrevivir a ambientes peligrosos tales como los antes descritos, mientras proporcione un sistema de medición de detección de tensión exacto. Existe además una necesidad de un dispositivo detector de tensión que permita al usuario anticipar una falla potencial de las estructuras sin comprometer la integridad de la fibra óptica dentro del dispositivo detector de tensión. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Las modalidades ejemplares de la presente invención superan las desventajas anteriores y otras desventajas no descritas anteriormente y proporcionan ventajas que serán aparentes a partir de la siguiente descripción de las modalidades ejemplares de la invención. También, la presente invención no requiere superar las desventajas antes descritas. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un dispositivo detector de tensión, el cual en una modalidad ejemplar puede ser un cable detector de tensión, que tiene una sub-instalación con al menos una fibra óptica dentro de la sub-instalación y un recubrimiento metálico que reviste la sub-instalación, en donde el recubrimiento metálico se encuentra acoplado por tensión a la sub-instalación . El dispositivo detector de tensión puede tener el diámetro exterior de la sub-instalación que es mayor que el diámetro interior del recubrimiento metálico y la sub-instalación puede comprimirse a fin de ajustarse dentro del recubrimiento metálico, transfiriendo mediante esto la tensión del recubrimiento metálico directamente hacia la fibra óptica.
De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, el dispositivo detector de tensión puede tener el diámetro exterior de la sub-instalación que es igual al diámetro interior del recubrimiento metálico, de manera que cuando se comprime la sub-instalación para ajustarse dentro del recubrimiento metálico, la tensión creada se traslada directamente desde el recubrimiento metálico hacia la fibra óptica . De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, el dispositivo detector de tensión también puede tener el diámetro exterior de la sub-instalación que es menor que el diámetro interior del recubrimiento metálico y el recubrimiento metálico se comprime entonces sobre la sub-instalación a fin de trasladar la tensión del recubrimiento metálico directamente hacia la fibra óptica. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un sistema detector de tensión que comprende: un dispositivo detector de tensión que tiene una sub-instalación, al menos una fibra óptica dentro de la sub-instalación; y un recubrimiento metálico que reviste la sub-instalación, en donde el recubrimiento metálico se encuentra acoplado por tensión a la sub-instalación; asi como la estructura de interés de la cual se mide la tensión, en donde el dispositivo detector de tensión se conecta a dicha estructura; y un sistema para medir la tensión que mide la tensión en el dispositivo detector de tensión, en donde la tensión sobre dicho dispositivo se utiliza para determinar la tensión sobre dicha estructura. El sistema detector de tensión de acuerdo con el aspecto anterior, puede tener el dispositivo detector de tensión conectado a la estructura de interés mediante el recubrimiento metálico. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, se proporciona un método para anticipar la falla en una estructura, que comprende las etapas de: fijar el dispositivo detector de tensión, que tiene un recubrimiento metálico acoplado por tensión, a la estructura de interés, en donde se va a medir la tensión de dicha estructura; medir la tensión sobre el dispositivo detector de tensión; y después correlacionar la tensión sobre el dispositivo con la tensión sobre la estructura. Adicionalmente, el método de anticipar la falla en una estructura puede tener medida la tensión sobre el dispositivo a lo largo de la longitud de la fibra óptica . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las anteriores y otras características y ventajas de la presente invención se volverán más aparentes a partir de las modalidades ejemplares detalladas establecidas de aquí en adelante con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:
La Figura 1 es una vista en sección transversal de un dispositivo detector de tensión de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención. La Figura 2 es una vista en sección transversal de un dispositivo detector de tensión de acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES EJEMPLARES DE LA
INVENCIÓN La presente invención se describirá ahora más completamente con referencia a los dibujos acompañantes, en los cuales se muestran las modalidades ejemplares de la invención. Los numerales de referencias similares en los dibujos denotan elementos similares. Refiriéndose a la Figura 1, se ilustra una vista en sección transversal de un dispositivo detector de tensión de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención. En esta modalidad ejemplar de la invención, el dispositivo detector de tensión se encuentra en la forma de un cable detector de tensión. El cable detector de tensión de la Figura 1, incluye una sub-instalación 120 que contiene fibras ópticas 160. La Figura 1 muestra siete fibras ópticas 160 dentro de la sub-instalación 120, pero un experto ordinario en la materia entenderá que puede utilizarse cualquier número de fibras ópticas. Por ejemplo, la Figura 2 muestra el cable detector de tensión en donde se incluye una sola fibra óptica 250 dentro de la sub-instalación 220. En la Figura 1, una modalidad ejemplar de la sub-instalación 120 se encuentra comprendida de una capa interior 140 y una camisa exterior 130. En esta modalidad ejemplar, las fibras ópticas 160 se acoplan a la sub-instalación 120 utilizando material de acoplamiento 150. La sub-instalación 120 se reviste dentro de un recubrimiento metálico 110, en donde el recubrimiento metálico se acopla por tensión a la sub-instalación 120 por medio de fricción entre el recubrimiento metálico y la sub-instalación. Las fibras ópticas 160 son los elementos detectores de tensión. Asi, la tensión sobre el recubrimiento metálico 110 viaja a través de toda la sub-instalación 120 y se traslada hacia las fibras ópticas 160 para medir de manera apropiada la tensión. El recubrimiento metálico de la presente invención debe ser lo suficientemente fuerte y resistente a la corrosión, a fin de ser capaz de soportar los ambientes adversos asociados con la detección de tensión. Sin embargo, al mismo tiempo, el recubrimiento metálico debe ser capaz de transmitir la tensión a través de la sub-instalación hacia las fibras ópticas, de manera que la tensión sobre el recubrimiento metálico pueda medirse de manera exacta. En una modalidad ejemplar de la presente invención, el recubrimiento metálico del dispositivo detector de tensión puede ser un tubo metálico. El acero inoxidable es un ejemplo de un material que puede utilizarse para el recubrimiento metálico, sin embargo, la presente invención no se limita al acero inoxidable y puede utilizarse cualquier otro material que tenga las características consistentes con los criterios anteriores. La medición de la tensión sobre el dispositivo detector de tensión puede llevarse a cabo utilizando sistemas de medición convencionales tales como los mallados de Fiber Bragg o el Reflectómetro de Dominio de Tiempo Óptico de Brillouin descritos en lo anterior. El material de acoplamiento 150 puede ser una variedad de materiales incluyendo materiales extruídos,. materiales de curación térmica, materiales curados con ultravioleta o cualquier otro material que sea capaz de transmitir de manera exacta la tensión sobre la sub-instalación exterior hacia la fibra óptica sin disipación significativa de tensión Algunos criterios que pueden utilizarse para seleccionar el material apropiado pueden ser la tensión esperada en la estructura de interés y la temperatura del ambiente en donde se utiliza el dispositivo detector de tensión. El material seleccionado también necesitaría proporcionar una buena unión entre los elementos del dispositivo detector de tensión para asegurar que cuando se somete a esfuerzo el recubrimiento metálico exterior, la tensión se traslada hacia la fibra óptica a través de los diversos materiales. La claridad de señal según se define por la perfecta traslación de tensión desde el recubrimiento metálico hacia la fibra óptica, puede afectarse por los materiales utilizados dentro de la sub-instalación . La Figura 2 muestra un dispositivo detector de tensión que se encuentra comprendido de una sub-instalación 220, incluyendo una camisa exterior 230, la fibra óptica 250 y el material de acoplamiento 240 que se utiliza para acoplar la fibra óptica 250 a la sub-instalación 220. En esta modalidad ejemplar, se retira la capa interior de la sub-instalación 220. La decisión sobre si se incluye la capa interior de la sub-instalación en la presente invención se deja al usuario. Un dispositivo detector de tensión que no incluye la capa interior, por ejemplo, reduce la complejidad de fabricación del dispositivo detector de tensión. Un dispositivo detector de tensión que incluye una capa interior o cualquiera de los componentes entre el recubrimiento metálico y la fibra, proporciona amortiguamiento entre la fibra óptica y el recubrimiento metálico, permitiendo asi que la tensión proveniente del recubrimiento metálico se traslade hacia la fibra óptica sin inducir una pérdida óptica en la fibra . En otra modalidad, se proporciona solo un recubrimiento metálico y una fibra óptica. El recubrimiento metálico se acopla por tensión a la fibra, utilizando técnicas de acoplamiento abajo descritas. En esta modalidad ejemplar, el recubrimiento metálico debe ser capaz de trasladar la tensión hacia la fibra óptica sin inducir pérdida óptica dentro de la fibra y sin ninguna estructura de amortiguamiento entre la fibra óptica y el recubrimiento metálico . En una modalidad, el acoplamiento por tensión entre el recubrimiento metálico y la sub-instalación se logra como sigue. Se proporciona una sub-instalación 120, que tiene un diámetro exterior que es mayor que el diámetro interior del recubrimiento metálico 110. Cuando la sub-instalación 120 se reviste en el recubrimiento metálico 110, teniendo un diámetro interior menor que el diámetro exterior de la sub-instalación 120, la sub-instalación 120 se comprime y la tensión sobre el recubrimiento metálico 110 se traslada a través la sub-instalación 120 hacia las fibras ópticas 160 debido a la fricción. Específicamente, el recubrimiento metálico 110 se tensionar y comprimirá junto con la estructura de interés. Debido a que la sub-instalación 120 se acopla al recubrimiento metal metálico 110 mediante una fuerza de fricción, este traslada la tensión proveniente del recubrimiento metálico, a través de la sub-instalación y directamente hacia la fibra óptica 160. La tensión sobre la fibra óptica 160 puede entonces medirse utilizando una herramienta de medición de la técnica relacionada como se describe arriba. La tensión sobre el dispositivo óptico 160 puede entonces correlacionarse con la tensión sobre la estructura y puede anticiparse una falla potencial de la estructura. La sub-instalación puede colocarse dentro del recubrimiento metálico en una variedad de formas, pero no se limita a las formas abajo descritas. En una modalidad ejemplar, puede utilizarse un matriz de extracción para reducir el diámetro de un tubo mayor hacia el tamaño objetivo del diámetro del tubo terminado, creando asi el producto deseado. Alternativamente, el recubrimiento metálico puede abrirse longitudinalmente y después cerrase junto de nuevo después de insertar la sub-instalación. En una modalidad ejemplar, en donde el recubrimiento metálico es un tubo metálico, el tubo metálico puede fabricarse como se describe en la Patente Europea No. EP0299123. En otra modalidad, la sub-instalación 120 puede tener un diámetro exterior que sea menor que el diámetro interior del recubrimiento metálico 160. La sub-instalación 120 se reviste entonces en el recubrimiento metálico 160. Después, el recubrimiento metálico 160 puede comprimirse entre dos rodillos que se ajustan a una abertura proporcionando la compresión deseada del recubrimiento metálico 160 sobre la sub-instalación 120. El nivel real de la compresión necesaria se determina experimentalmente y depende además de los materiales utilizados para fabricar la sub-instalación y el recubrimiento metálico. En otra modalidad ejemplar, la sub-instalación 120 puede tener un diámetro exterior que sea menor o igual al diámetro interior del recubrimiento metálico 160. En este ejemplo, la fibra óptica puede .cubrirse con un agente espumante que se expande cuando se expone a una fuente térmica. En tal caso, la fibra óptica, cubierta con un agente espumante se reviste en el recubrimiento metálico. Después, la sub-instalación dentro del recubrimiento metálico puede exponerse a una fuente térmica para activar el agente espumante y acoplar por tensión los elementos entre si. El nivel de compresión utilizado en la fabricación del dispositivo detector de tensión de aqui en adelante se refiere como la fuerza de acoplamiento. La fuerza de acoplamiento entre el recubrimiento metálico 110 y la sub-instalación 120 se relaciona con el diámetro de la sub-instalación 120 y el diámetro interior de recubrimiento metálico 110. Entre mayor sea el diámetro de la sub-instalación 120, mayor será la fuerza de acoplamiento. La cantidad de la fuerza de acoplamiento necesaria para asegurar que la tensión sobre el recubrimiento metálico 110 se traslada hacia la sub-instalación 120 y a su vez hacia las fibras ópticas 160, depende de los materiales utilizados en la estructura del dispositivo detector de tensión. Debido a que una alta fuerza de acoplamiento puede tensar la sub-instalación 120 durante el proceso de fabricación, la fuerza de acoplamiento debe conservarse tan baja como sea posible, mientras se continúa el traslado de la tensión hacia las fibras ópticas 160. La cantidad adecuada de fuerza de acoplamiento puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de materiales. En una modalidad ejemplar del dispositivo detector de tensión, una fibra óptica se cubrió primero con silicona a 600 µ?? y después con una camisa exterior de fluoruro de polivinilideno (PVDF) para hacer la sub-instalación . En esta modalidad ejemplar, se utilizó un tubo de acero inoxidable como un recubrimiento metálico. La fibra óptica cubierta con silicona y PVDF o la sub-instalación de esta modalidad se revistió entonces dentro de un tubo de acero inoxidable que tiene un diámetro exterior de 1.84 mm con un diámetro interior de 1.44 mm. Los siguientes datos representan los ejemplos del acoplamiento por tensión entre el recubrimiento metálico y la sub-instalación de la modalidad ejemplar antes descrita. Cuando el diámetro del PVDF fue de 1.46 mm, la tensión resultante sobre la fibra varió de 0.2 a 0.4%. Cuando el diámetro del PVDF fue de 1.48 mm, la tensión de la fibra resultante varió de 0.6 a 1.0%. Cuando el diámetro del PVDF fue 1.50 mm, la tensión de la fibra resultante fue 1.5 a 2.0%. La variación en la tensión entre el tubo de acero inoxidable y la sub-instalación de esta modalidad se debió a las variaciones del diámetro alrededor de su objetivo nominal . La determinación del nivel inicial de la tensión sobre la fibra óptica se dejará al usuario. Si por ejemplo, el dispositivo detector de tensión tendrá tensión positiva inducida por la tensión o por la temperatura, entonces el punto de inicio deseado es tener la fibra a un nivel de tensión inferior. Por el contrario, si se espera observar la compresión del cable debido a las exposiciones a baja temperatura o tensión negativa inducida por la tensión, entonces puede ser deseable un mayor nivel de tensión inicial . La fuerza de acoplamiento debe ser al menos lo suficientemente grande para evitar el deslizamiento de las fibras ópticas 160 dentro de la sub-instalación 120. Si la fuerza de acoplamiento de la sub-instalación 120 no es lo suficientemente grande, las fibras ópticas 160 dentro de la sub-instalación 120 se deslizarán, causando que el dispositivo detector de tensión produzca resultados no exactos. Adicionalmente, una baja fuerza de acoplamiento entre el recubrimiento metálico y la fibra óptica puede conducir a la disipación de la tensión sobre la fibra, reduciendo asi la sensibilidad del dispositivo detector de tensión . Al revestir la sub-instalación 120 dentro de un recubrimiento metálico 110, puede incrementarse la resistencia al riesgo químico, presión y riesgos mecánicos. Adicionalmente, en una modalidad ejemplar, el recubrimiento metálico 110 puede unirse directamente a la estructura de interés, disminuyendo así el efecto de riesgos que afectan el método de unión del dispositivo detector de tensión a la estructura de interés. El recubrimiento metálico 110 permite que el método de unión del dispositivo detector de tensión a la estructura de interés sea más agresivo que lo que pueda aplicarse si la fibra óptica sola se une a la estructura, por ejemplo la fijación física del recubrimiento metálico a la estructura o utilizando un adhesivo de mayor resistencia para unir el dispositivo a la estructura. Adicionalmente, en modalidades en donde el dispositivo detector de tensión se coloca o se empotra directamente en la estructura, el recubrimiento metálico puede evitar que se comprometa la integridad de la fibra óptica, por ejemplo en casos en donde se incrementa el nivel de tensión de la estructura u ocurre un fractura en la estructura . En una modalidad ejemplar de la presente invención, la unión del dispositivo detector de tensión a la estructura de interés puede inducir alguna tensión inicial en la estructura. Sin embargo, esta tensión se vuelve la lectura de la tensión de linea basal para esa estructura de interés. Cuando se mide la tensión sobre la estructura de interés, el usuario se interesa en cambiar la tensión sobre la estructura, lo cual puede deducirse. Correlacionando la tensión sobre el dispositivo detector de tensión con la tensión sobre la estructura permite al usuario predecir y anticipar de forma exacta la falla en la estructura y tomar acciones antes de tal falla a fin de mitigar el daño que puede ocurrir. La temperatura también tiene un efecto sobre la tensión del dispositivo detector de tensión y la estructura. Asi, la temperatura se mide a lo largo de la longitud de la fibra utilizando técnicas convencionales para medir la temperatura, por ejemplo utilizando mallados de Fiber Bragg como se describió arriba. Después, la tensión debida a la temperatura, se separa de la tensión debido a la carga sobre la estructura para evaluar de forma apropiada la condición de la estructura de interés. La tensión debido a la temperatura típicamente por sí misma no será de interés significativo cuando venga la falla potencial de una estructura. La sub-instalación por sí misma puede hacerse en una variedad de formas, muchas de las cuales se encuentran comercialmente disponibles. Esto involucra el recubrimiento de la fibra óptica deseada mediante una combinación de extrusiones, recubrimientos de curación térmica o recubrimientos de curado ultra-violeta. En una modalidad ejemplar, la sub-instalación puede ser una sub-instalación dieléctrica. Adicionalmente, el control del diámetro sobre la sub-instalación tiene un impacto directo sobre la variabilidad de la tensión en el producto final, de manera que debe controlarse tan ajustadamente como sea posible dado el proceso de fabricación seleccionado. Una vez que se forma la sub-instalación, esta se reviste con el recubrimiento metálico . Aunque se ha descrito la modalidad ejemplar de la presente invención, se entenderá por el experto en la materia que la presente invención no debe limitarse a las modalidades ejemplares descritas, sino que pueden hacerse varios cambios y modificaciones dentro del espíritu y alcance de la presente invención. Consecuentemente, el alcance de la presente invención no se limita al rango descrito de las siguientes reivindicaciones.