Detección de fugas en tuberías mediante sensores industriales para una fabricación sostenible

Las tuberías son el método más eficaz para transferir fluidos como petróleo, agua y gas natural a largas distancias.

Las fugas en las tuberías pueden arruinar la productividad industrial, el medioambiente y la reputación de las empresas. La inspección regular de las tuberías garantiza la seguridad y la protección de los recursos y evita pérdidas económicas. Por eso es necesario invertir en sistemas de detección de fugas. Esos sistemas suponen inversiones costosas, y los requisitos de funcionamiento dictaminan la elección de la técnica más rentable. Este artículo examina la detección de fugas en las tuberías combinando sensores piezoeléctricos, sensores de caudal y sensores de presión ensamblados a una tubería.
La Figura 1 muestra las ventajas de la detección de fugas.

Figura 1: Ventajas de la detección de fugas

El sistema de detección de fugas y su estructura

Una fuga desvía a una instalación de tuberías de sus patrones estándar de funcionamiento. Con los datos adquiridos por unos pocos sensores embebidos en la instalación, este método informático de detección de fugas imita a un operario humano cualificado y experimentado que puede identificar una fuga y notar múltiples relaciones entre las lecturas de los sensores durante el funcionamiento.

Figura 2: Estructura del sistema de detección de fugas

Diversas evidencias

El sistema de detección de fugas tiene muchos algoritmos informáticos, o marcadores, para imitar la labor del operador humano. Cada marcador capta de forma única el comportamiento de la instalación señalando un único valor (por muestra de medición) que refleja el estado de la instalación. Estos marcadores mantienen baja la variación de ese valor durante la operación normal de la instalación (sin fugas). No obstante, en caso de fuga, se producirá un aumento notable del valor de salida.

La figura 2 muestra la estructura del sistema. Este concepto se aplica a varios conjuntos de señales de entrada. Las siguientes entradas estaban presentes en la instalación en la que se realizaron las pruebas del sistema.

Presión del fluido dieléctrico
Valor de la corriente eléctrica
Presión de gas en los tanques de compensación (dos sensores, uno por tanque)
Temperatura de la superficie externa de la tubería (dos sensores)
Temperatura del suelo
Marca de tiempo de la muestra de medición

Todos los sensores aportaron sus respectivas mediciones individuales por minuto.

Preprocesamiento

Los datos de las mediciones deben pasar por una fase de preprocesamiento antes de estar listos para usarse como valores de los marcadores. Esta etapa de preprocesamiento tiene dos objetivos:

Detectar el funcionamiento de la bomba de presurización y de la válvula de escape
Detectar cualquier cambio anómalo en la corriente eléctrica y las temperaturas de las tuberías

Es necesario detectar el funcionamiento de las bombas y las válvulas, porque introducen distorsiones considerables en las mediciones de presión. Algunos marcadores deben compensar dichas distorsiones antes de recibir los datos. De otro modo, el sistema debe advertir a los marcadores que la presión puede influir en una muestra específica. El funcionamiento con bombas usa el primer enfoque (compensatorio) y el funcionamiento con válvulas, el segundo. El tratamiento de cada funcionamiento es diferente, ya que las operaciones de bombeo son mucho más fáciles de detectar y delimitar porque introducen distorsiones mucho más significativas. Por otro lado, un marcador usa funcionamiento con bomba para indicar el estado de la instalación. Para ello, la detección de la bomba del marcador ofrece los datos de entrada necesarios.

Es esencial detectar los cambios anormales en la temperatura de la tubería y en la corriente eléctrica, ya que el módulo de decisión recibe esta información y por ende puede alterar (generalmente reducir) la confianza en una fuga. En otras palabras, el detector asignará valores elevados de los marcadores en condiciones externas anómalas e ignorará una fuga de fluido.

Marcadores

El sistema usa marcadores basados en redes neuronales. Estos marcadores parten del supuesto de que, en ausencia de una fuga, es posible calcular el valor aproximado de una cantidad medible seleccionada xk para el momento específico t. Este valor xk(t) se denomina en función de todas las cantidades medibles a las que accede el sistema: actuales, pasadas y futuras (excluyendo la misma xk(t)). En otras palabras, x =[x1, x2, ., xN] el conjunto de todas las señales disponibles, por el conjunto de todas las señales disponibles excluyendo xk. Suponemos la existencia de una función f de la forma.
x_k (t)≈f(x(t-∞),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+∞))

Dado que no es factible obtener muestras de momentos que van de - a +, usamos en lugar una función g de la forma:

x_k (t)≈g(x(t-a),….<x(t-1),(x_k ) ̂(t),x(t+1),….,x(t+b))

La red neuronal, en este caso, aproxima la función g. La ventaja de esta solución es que la forma analítica de g puede permanecer desconocida. Un procedimiento de aprendizaje basado en datos históricos ayuda a obtener una aproximación satisfactoria. Otra ventaja es que se puede reajustar la función a las condiciones cambiantes de la instalación realizando procedimientos de aprendizaje de forma periódica.

Métodos para la detección de fugas en tuberías

Figura 3: Sistema de detección de fugas en tuberías

Para detectar las fugas de agua se pueden usar sensores de vibración, caudal y presión que recogen los datos detectando la vibración, el caudal y la presión del agua que fluye. Un controlador recibe los datos recogidos que el sistema luego sube a la nube. Un modelo basado en una red neuronal artificial analiza los datos almacenados, y los resultados pueden ayudar a crear una aplicación minimalista para detectar fugas. El diagrama de flujo de la Figura 4 ofrece un panorama:

Figura 4: Un panorama del proceso de detección de fugas

Discusión

Se consideran dos tipos de datos del caudal de agua: los datos de caudal de un sistema de tuberías sin ninguna fuga y otro con fuga. La distribución de los datos se mide en litros por minuto (L/min). El sistema de tuberías sin fugas permite que el agua fluya sin impedimentos y genera más datos de caudal que el sistema con fugas. La ausencia de fugas permite que el agua fluya sin impedimentos y sin interferencias por cualquier cambio en la velocidad del flujo (V). En caso de fuga, el agua se escapa de la tubería, afectando la velocidad del caudal. El caudal de agua es más lento si hay una fuga en la tubería. La definición de caudal (Q) es el volumen (v) de fluido que pasa por algún lugar a través de un área durante un periodo de tiempo (t). El valor del caudal (Q) disminuye si disminuye la velocidad del agua. 𝑄 = 𝑣 𝑡

Vibración

Los datos de vibración de los sistemas de tuberías con fugas y sin fugas presentan diferencias significativas. Las fugas producen grandes cantidades de datos de vibración. El tubo produce una fuerza que da lugar a un flujo descontrolado de agua fuera del tubo, generando grandes cantidades de datos. En las tuberías sin fugas se producen vibraciones, pero son insignificantes en comparación con la lectura de vibraciones en el sistema de tuberías con fugas.

Presión

La lectura de los datos de presión del sistema de tuberías con una fuga es inferior a los datos de presión de los sistemas de tuberías sin fugas. La lectura más baja se debe a la disminución de la presión en el sistema de tuberías debido a una fuga.

Salida de líquido

La diferencia en el volumen de flujo de agua a través de la tubería da lugar a diferentes resultados de salida de gradiente de líquido. El resultado en ausencia de fugas en el sistema de tuberías es más pronunciado que los resultados para fugas. Una fuga hace que el agua se escape causando una pérdida de volumen de agua al interior de la tubería.

Farnell se ha asociado con diversos fabricantes que ofrecen una amplia gama de productos y soluciones de sensores industriales y componentes de conectores de sensores, como sensores de corriente, sensores medioambientales, sensores de caudal, sensores de luz, sensores magnéticos, sensores de nivel líquido, sensores de movimiento y sensores de posición, sensores de partículas, transductores de sensores de presión, sensores de temperatura, sensores ultrasónicosy sensores de vibración y choque. Farnell está disponible para la ejecución y el desarrollo de diseños y proyectos.