Sensores de Nível de Interface Água-Óleo em Fibra Óptica Baseados em Grades de Bragg

Nome: Fabio Giesen Ludke
Tipo: Dissertação de mestrado acadêmico
Data de publicação: 27/05/2020
Orientador:

Nomeordem decrescente Papel
Anselmo Frizera Neto Co-orientador
Maria Jose Pontes Orientador

Banca:

Nomeordem decrescente Papel
Adilson Ribeiro Prado Examinador Externo
Anselmo Frizera Neto Coorientador
Arnaldo Gomes Leal Júnior Examinador Interno
Maria Jose Pontes Orientador

Resumo: Esta disserta¸c˜ao apresenta o estudo e aplica¸c˜ao de sensores baseados em grades de Bragg em fibra (FBG - Fiber Bragg Grating) na medi¸c˜ao da altura da interface formada entre ´agua e ´oleo em um tanque. Atrav´es de diafragmas feitos de borracha industrial, que possuem um segmento de fibra ´optica com a grade de Bragg gravada em seu interior, ´e poss´ıvel realizar a medi¸c˜ao de n´ıvel de interface. O levantamento te´orico apresentado demonstra as t´ecnicas utilizadas nessas medi¸c˜oes com sensores que utilizam FBG e o funcionamento de uma FBG. Os sensores desse tipo n˜ao s˜ao condutores el´etricos, s˜ao resistentes `a interferˆencia eletromagn´etica (EMI - Electromagnetic interference) e imunes a ambientes explosivos. As t´ecnicas de grava¸c˜ao de grades de Bragg por M´ascara de Fase e Plano a Plano foram utilizada nos sensores. Com isso, utilizando um espectrˆometro, pode-se analisar as frequˆencias da luz acoplada e que se propaga no segmento de fibra ou na FBG. As an´alises s˜ao realizadas definindo frequˆencias centrais para cada FBG utilizada que, com a deforma¸c˜ao sofrida, provoca deslocamentos proporcionais `a altura ou n´ıvel da interface entre os materiais distintos, por exemplo ´agua e ´oleo. Isso ocorre porque a ´agua e o ´oleo possuem densidades diferentes e dependendo da quantidade de cada material que est´a no tanque, os diafragmas que cont´em as FBG sofrer˜ao menor ou maior deforma¸c˜ao e provocar˜ao a varia¸c˜ao das frequˆencias centrais da luz acoplada, que se propaga na FBG. Os principais materiais utilizados na produ¸c˜ao dos sensores aqui estudados s˜ao a fibra ´optica de s´ılica, poliuretano termopl´astico e a borracha nitr´ılica. A borracha nitr´ılica possui uma alta durabilidade ao petr´oleo e derivados. Desenvolveu-se a metodologia de produ¸c˜ao dos sensores em grades de Bragg com diafragmas impressos na impressora 3D e produzidos atrav´es da vulcaniza¸c˜ao da borracha nitr´ılica. Para medi¸c˜ao de press˜ao, foi desenvolvido um sensor em diafragma com FBG utilizando uma impressora 3D. O sensor desenvolvido atrav´es da vulcaniza¸c˜ao de diafragmas de borracha nitr´ılica com FBG, foi produzido com sucesso utilizando um sistema de prensa com controle de temperatura. No caso dos testes com os diafragmas impressos em impressora 3D, observa-se a influˆencia causada pela varia¸c˜ao da espessura do diafragma. Essa varia¸c˜ao n˜ao altera a linearidade do sistema, mas sua sensibilidade. Uma sensibilidade de 7,5pm / kPa e 5,2 pm / kPa para o diafragma de 1,2 mm e 2 mm, respectivamente, foi determinada experimentalmente. Nos testes com os diafragmas de borracha nitr´ılica, foi poss´ıvel identificar a altura do n´ıvel de interface entre ´agua e ´oleo. No final obteve-se uma equa¸c˜ao onde ´e poss´ıvel medir a interface do sistema de acordo com a varia¸c˜ao de deforma¸c˜ao dos diafragmas, mostrando que ´e poss´ıvel utilizar esse sistema para futuramente produzir um produto.

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