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Tecnología e Innovación
España | 14-01-2021

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Cómo se utilizan las mediciones acústicas para localizar fugas de agua   
iagua.es ( España )
Para detectar fugas en los sistemas de tuberías, se utilizan diferentes técnicas: desde isótopos radiactivos sobre interferometría hasta radares basados en satélites. Sin embargo, uno de los métodos más aplicados debido a su sencillez, es la detección por medios acústicos.

La física de las fugas
Cuando un fluido sale de una tubería que está presurizada se genera ruido acústico. Este fenómeno se conoce desde hace más de cien años, y se ha utilizado ampliamente para detectar fugas en sistemas de fluidos que contienen medios presurizados como pueden ser el petróleo, el gas o el agua. Ahora sabemos que la fuente del ruido se debe principalmente a la turbulencia y las burbujas de cavitación generadas por donde sale el fluido. Sin embargo, son muchos los parámetros que influyen en la generación del ruido, como pueden ser el diámetro de la tubería, el tamaño de la fuga o la presión del fluido.

Un simple dispositivo colocado en una llave de paso cerca de la fuga es suficiente para escuchar y reconocer el sonido de una fuga
Además, el material de la tubería y su propio entorno determinan la forma en la que se propagan el ruido en la red. La parte principal del espectro acústico del ruido generado tiene frecuencias en el rango de 0 a 2 kHz, lo que facilita múltiples resonancias como los modos de circunferencia de la tubería y los modos de flexión longitudinal de la tubería. Resumiendo, se trata de un sistema muy complejo en el que una descripción matemática completa no es práctica, ni siquiera para una red de distribución pequeña con una línea principal de 1 km y entre cincuenta y cien líneas de servicio para los consumidores. Afortunadamente, no es necesario un conocimiento completo para utilizar el ruido generado como herramienta para encontrar fugas en la red. Conocer que las tuberías funcionan como filtros de paso bajo y las tuberías de plástico (PE y PVC) introducen una amortiguación notablemente mayor en comparación con las tuberías de metal, lo llevará lejos.

Detección básica de fugas usando la acústica
En muchos casos, un simple dispositivo colocado en una llave de paso (válvula al inicio de la línea de acometida) cerca de la fuga es suficiente para escuchar y reconocer el sonido de una fuga. Históricamente se usaba un simple palo, muy parecido a los estetoscopios que utilizan las parteras. Los instrumentos actuales son más avanzados y, a menudo, implementan acelerómetros o hidrófonos (micrófonos subacuáticos). Además, existen muchos sistemas en los que los dispositivos de escucha están instalados permanentemente en la red, con lo que ofrecen un monitoreo constante. Esto permite seguir la evolución de las fugas antes de que empeoren. En este caso se requiere un buen acoplamiento entre la tubería y el sensor. Por eso, el sensor suele estar equipado con un imán potente (acelerómetro) o integrado directamente en la tubería (hidrófono).

Aprovechando mejor los datos
Para aprovechar al máximo los datos, algunos sistemas también introducen un tratamiento de datos avanzado como el análisis de frecuencia y las técnicas de correlación cruzada. El primero permite filtrar las fuentes de ruido ambiental no deseadas (conocidas) comparando componentes espectrales. La correlación cruzada facilita la localización precisa del origen del ruido, es decir, permite encontrar la ubicación exacta de la fuga. Esto requiere dos sensores, donde la fuga debe estar ubicada entre ellos. Una correlación cruzada de las mediciones obtenidas de un modo simultáneo permitirá comprobar el retraso del ruido generado por la fuga entre los sensores. Si se conoce la velocidad del sonido en la tubería, este retraso se puede convertir en una distancia, es decir, la ubicación de la fuga. La correlación de ruido ha demostrado su eficacia en las dos últimas décadas.

Algunos sistemas introducen un tratamiento de datos avanzado como el análisis de frecuencia y las técnicas de correlación cruzada
Sin embargo, existen varios problemas a tener en cuenta al utilizar este tipo de análisis. Tal y como se ha mencionado anteriormente, las condiciones locales pueden afectar tanto a la generación de ruido como a su propagación, lo que dificulta hacer filtros de frecuencia precisos o calcular la velocidad requerida del sonido. Además, la introducción masiva de tuberías a base de PE requiere que los sensores existentes se ubiquen más cerca, ya que el ruido de fuga que se pueda generar quedará más amortiguado. Hay muchas formas de abordar este tipo de problemas: filtros de frecuencia adaptativa, medición activa de la velocidad del sonido, inteligencia artificial basada en la nube, y mejora de la sensibilidad del sensor por mencionar solo algunos. Estos métodos, a menudo, requieren cálculos masivos (lo que equivale a un mayor consumo de energía) o mejores equipos (con el consecuente incremento de los costes). Sin embargo, habría otra manera de afrontarlo: inundando la red con sensores. Si los sensores se colocan cerca uno de otro, el ruido de la fuga no tendrá que propagarse mucho antes de que un sensor lo detecte.

Un enfoque sencillo para un problema complejo
La integración de un sensor de ruido acústico en un contador de agua es una forma de resolver esta tarea. Los contadores se colocan, a menudo, al final de cada acometida, lo que facilita una muy buena cobertura de la red. El sensor obtiene de forma inherente un acoplamiento óptimo a la red, ya que un contador de agua es una parte integral de la tubería. Además, todos los contadores inteligentes modernos cuentan con comunicación inalámbrica de datos, que el sensor acústico puede utilizar. Sin embargo, para tener éxito con esta táctica, el sensor acústico tiene que ser económico, de manera que el precio combinado con el contador del agua sea aceptable para los clientes. Además, el sensor acústico debe tener un bajo consumo de energía, ya que los contadores de agua a menudo necesitan funcionar con una batería durante más de quince años. El último contador de agua desarrollado en Dinamarca por Kamstrup ha introducido esta técnica novedosa sin comprometer ninguna de las características ya existentes en el contador. Para reducir la transmisión de datos, una sola medida del nivel de ruido acústico en el contador se devuelve una vez al día a un sistema central.

Pruebas en el mundo real
Partimos de un área en la que cada punto marca un sensor acústico integrado en un contador de agua. En un radio de 250 metros, contamos con más de 250 sensores que supervisan continuamente la red en busca de fugas. Durante un período de prueba (medio año), se encontraron seis fugas previamente desconocidas en el área mostrada. Todas estaban en las acometidas y no se podían escuchar en las llaves de paso, donde normalmente se revisa al buscar fugas; es decir, las fugas solamente se encontraron debido al sensor acústico integrado en el contador de agua. Las mediciones de ruido basadas en contadores también crean nuevos desafíos. El principal es que los contadores a menudo se instalan dentro de las casas, donde es más probable que las fuentes de ruido ambiental, como las bombas y la calefacción central o de distrito provoquen interferencias acústicas. Afortunadamente, esto es un desafío local, y el patrón de ruido de una bomba a menudo es muy diferente al de una fuga, lo que permite distinguir la mayoría de las fugas de las bombas en función de los análisis posteriores de los datos.

Si los sensores se colocan cerca uno de otro, el ruido de la fuga no tendrá que propagarse mucho antes de que un sensor lo detecte
Nuestra prueba inicial mostró que muchas fugas solo pueden detectarse con el contador más cercano. Sin embargo, en algunos casos, varios contadores detectan la fuga. A menudo, esto se ve como gráficos de ruido muy similares. La similitud aumenta a medida que los sensores registran la misma fuente de ruido y se ven principalmente en tuberías de metal, donde el ruido puede viajar lejos, o por fugas en la línea principal donde la fuente de ruido está cerca de múltiples sensores.

En resumen, las mediciones acústicas son una herramienta excelente y sencilla para la detección de fugas. Existen varias tecnologías y se han utilizado con éxito durante las últimas décadas. El último paso adelante son los contadores de agua equipados con sensores de ruido acústico. Se trata de un enfoque simple para un problema complicado y, aunque sencillo, es sorprendente lo lejos que se llega simplemente con el poder de muchos.

En la actualidad, la detección de fugas, en particular en las acometidas, resulta a menudo una tarea ardua, ineficaz y costosa puesto que gran parte de las acometidas están ubicadas en propiedad privada. Con una información limitada sobre lo que está ocurriendo en su red de distribución, la detección de fugas se basa por lo general en una combinación de prueba y error, de modelos teóricos o, simplemente, de corazonadas. Y cuando la información no es suficiente, ¿cómo puede ofrecer el mejor servicio posible a sus clientes? ¿Cómo puede priorizar su trabajo diario? ¿Dónde puede encontrar la base para evaluar la necesidad de mantenimiento y de futuras inversiones?

En su lugar, imagínese que tuviera todas las respuestas a su disposición. Que pudiera identificar y verificar posibles fugas antes de que lleguen a provocar roturas. Que fuera capaz de destinar su tiempo y sus recursos allí donde sabe que son más valiosos.

Con el flowIQ2200 de Kamstrup, tiene a su disposición lo último en tecnología de detección acústica de fugas. Obtendrá una transparencia absoluta en su red de distribución completa hasta los clientes finales y las herramientas que necesita para realizar una detección de fugas eficaz y un enfoque proactivo para combatir la pérdida de agua.