Sensor de Temperatura Distribuído DTS:

Os sistemas de detecção de temperatura distribuída (DTS) são instrumentos optoeletrônicos baseados em fibra óptica que medem a temperatura ao longo do comprimento do cabo de fibra óptica. A característica única de um sistema de detecção de temperatura distribuído é que ele fornece um perfil de temperatura contínuo (ou distribuído) ao longo do comprimento do cabo de detecção metro a metro e não em pontos de detecção discretos que devem ser pré-determinado

Sensor de Temperatura de Fibra Óptica como funciona DTS:

Os sistemas DTS contêm um laser pulsado que envia um pulso de aproximadamente 1m (equivalente a um tempo de 10ns) para a fibra óptica. Conforme o pulso viaja ao longo do comprimento da fibra óptica, ele interage com o vidro. Devido a pequenas imperfeições no vidro, uma pequena quantidade do pulso de laser original é refletida de volta para o sistema de detecção DTS. Ao analisar a luz refletida, o interrogador é capaz de calcular a temperatura do evento (analisando a potência da luz refletida) e também a localização do evento (medindo o tempo que leva para a luz retroespalhada retornar) tipicamente com sensibilidade dentro de um metro.

Cabo Sensor de Temperatura Distribuído DTS:

Normalmente, a tecnologia DTS usa um cabo de fibra óptica de telecomunicações padrão e cabos especiais somente são utilizados em locais onde a detecção forem necessárias em ambientes com temperaturas superiores a 100 ° C. A fibra de detecção padrão normalmente baseada em fibras multimodo para alcances mais curtos (até 40km) e fibra monomodo para alcances mais longos (40-100km) pra identificação da temperatura.

Especificação da Fibra Óptica de medição de Temperatura para DTS:

Os sistemas de detecção de temperatura distribuídos normalmente podem localizar a temperatura a uma distância de 1 m (isso é conhecido como resolução espacial) com precisão de ± 1 ° C e com uma resolução de detecção de até 0,01 ° C. No entanto, há uma relação inversa com a resolução da medição, intervalo e tempo de amostragem, ou seja, a resolução da temperatura degrada com o intervalo e melhora quanto mais tempo você adquire dados para uma medição específica.

Sensor de Temperatura Distribuído - Princípio de Medição Raman

As fibras ópticas são feitas de vidro de quartzo dopado e quando a luz do laser é transmitida em uma fibra óptica ocorre uma interação entre as partículas de luz (fótons) e os elétrons da molécula. Em uma determinada frequência no espectro eletromagnético (conhecido como as bandas Stokes e anti-Stokes), o espalhamento de luz, também conhecido como espalhamento Raman, ocorre na fibra óptica. A intensidade da chamada banda anti-Stokes é dependente da temper atura, enquanto a chamada banda de Stokes é praticamente independente da temperatura. A temperatura local da fibra óptica é derivada da proporção das intensidades de luz anti-Stokes e Stokes.

Princípio de medição - Tecnologia OTDR e OFDR:

Existem dois princípios básicos de medição para tecnologia de detecção distribuída, Reflectometria Ótica no Domínio do Tempo (OTDR) e Reflectometria Ótica no Domínio da Frequência (OFDR).

OTDR foi desenvolvido há mais de 20 anos e se tornou o padrão da indústria para medições de perda em telecomunicações. O princípio do OTDR é bastante simples e muito semelhante à medição do tempo de voo usada para o radar. Essencialmente, um pulso de laser estreito gerado por lasers semicondutores ou de estado sólido é enviado para a fibra e a luz retroespalhada é analisada. A partir do tempo que a luz retroespalhada leva para retornar à unidade de detecção, é possível localizar o local do evento de temperatura.

Unidades de avaliação DTS alternativas implantam o método de Reflectometria de Domínio de Frequência Ótica (OFDR). O sistema OFDR fornece informações sobre a característica local apenas quando o sinal de retroespalhamento detectado durante todo o tempo de medição é medido em função da frequência de uma forma complexa e, então, submetido à transformação de Fourier FFT.

A grande maioria dos sistemas de detecção de temperatura distribuídos disponíveis hoje é baseada na tecnologia OTDR.

Vantagens dos Sistemas DTS:

Alguns dos recursos exclusivos dos sistemas de detecção de temperatura distribuídos incluem:
• Excelentes economias de escala. Um projetista / integrador de sistema não precisa se preocupar com a localização precisa de cada ponto de detecção, portanto, o custo para projetar e instalar um sistema de detecção baseado em sensores de fibra ótica distribuídos é muito reduzido em comparação com os sensores tradicionais.
• Baixo custo de manutenção e operação. O cabo sensor não tem partes móveis e tem vida útil projetada > 30 anos, os custos de manutenção e operação são consideravelmente menores do que os sensores convencionais.
• Os cabos de detecção DTS são imunes a interferência eletromagnética, vibração, RF (São dielétricos)
• Seguro para uso em zonas criticas (a potência do laser cai abaixo dos níveis que podem causar ignição), tornando esses sensores ideais para uso em aplicações de detecção industrial.

Design do Cabo de Detecção de fibra óptica:

O cabo de fibra óptica DTS é passivo por natureza, portanto, pode ser fabricado com base nos cabos de telecomunicações padrão e, em muitos casos, sem a necessidade de cabos especiais para altas temperaturas.

Em alguns casos, são necessárias fibras ópticas especializadas. Algumas das considerações que precisam ser levadas em consideração ao projetar um cabo sensor de temperatura distribuído incluem:
• Temperatura: as fibras óticas de telecomunicações padrão e os materiais dos cabos operam em até 100 ° C. Acima disso, você precisará de fibras especializadas. Por exemplo, poços de petróleo muitas vezes excedem 200 ° C;
• Proteção mecânica: Dependendo do ambiente de monitoramento específico, pode haver alta vibração ou forças potencialmente esmagadoras que exigirão camadas adicionais de cabo protetor para fornecer proteção à fibra;
• Proteção contra hidrogênio: Em alguns ambientes, haverá altos níveis de hidrogênio que podem causar a deterioração (ou escurecimento) da fibra óptica. Alguma proteção pode ser fornecida pelo uso de géis eliminadores de hidrogênio - no entanto, para uma duração mais longa, é necessário usar uma fibra óptica especializada que tenha propriedades especializadas (dopantes) dentro do núcleo e revestimento da fibra óptica.

Segurança do Laser e Operação do Sistema

Ao operar um sistema com base em medições ópticas, como DTS, os requisitos de segurança do laser devem ser considerados para instalações permanentes. Muitos sistemas usam projeto de laser de baixa potência, por exemplo, com classificação como classe de segurança de laser 1M, que pode ser aplicada por qualquer pessoa (não são necessários EPI´s de segurança de laser aprovados). Alguns sistemas são baseados em lasers de alta potência com classificação 3B, que embora sejam seguros e aprovados para uso por especialistas de segurança de laser, podem não ser adequados para instalações permanentes.

Sensor FBG (Fiber Bragg Grating)

Fiber Bragg Grating (FBG)

A fiber Bragg grating (FBG) is a type of distributed Bragg reflector constructed in a short segment of optical fiber that reflects particular wavelengths of light and transmits all others. This is achieved by creating a periodic variation in the refractive index of the fiber core, which generates a wavelength-specific dielectric mirror. A fiber Bragg grating can therefore be used as an inline optical filter to block certain wavelengths, or as a wavelength-specific reflector.

Raysung equips 30 work stations in its Fiber Bragg Grating (FBG) workshop, enabling a monthly production capacity of nearly 150,000 pieces. Raysung is capable of manufacturing various FBGs, including Uniform FBG, Apodized FBG, Double-Clad FBG, as well as Chirped FBG.

O que é um sensor FBG (Fiber Bragg Grating)?

Um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) é uma microestrutura com o comprimento típico de alguns milímetros que pode ser inserida no núcleo de uma fibra singlemode padrão de telecomunicações. Isto é feito iluminando-se transversalmente a fibra com um raio laser UV e utilizando uma máscara de fase para gerar um padrão de interferência em seu núcleo, o qual irá induzir uma mudança permanente nas características físicas da matriz de sílica. Esta alteração consiste em uma mudança espacial periódica do índice de refração do núcleo que cria uma estrutura ressonante.

O diâmetro da fibra, protegida por um revestimento primário, é de 250 micrómetros. Sem este revestimento, a fibra possui um diâmetro de 125 micrómetros. A luz desloca-se essencialmente através do núcleo, que tem um diâmetro que pode variar entre 4 e 9 micrómetros.

(canto superior esquerdo: espectro da luz injetada; superior direito: espectro da luz transmitida; centro: FBG com representação gráfica da transmissão e reflexão da luz; inferior esquerdo: espectro da luz refletida)

Operação:

Como uma estrutura ressonante, o sensor FBG irá atuar como um espelho seletivo de comprimento de onda (wavelength selective mirror); é um filtro de banda estreito. Isso significa que, se a luz de uma fonte de banda larga for injetada na fibra ótica, apenas a luz dentro de uma região espectral muito estreita, centrada no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength), irá ser refletida. A luz remanescente irá continuar seu caminho através da fibra ótica sem nenhuma perda.

O comprimento de onda de Bragg é essencialmente definido pelo período da microestrutura e pelo índice de refração do núcleo.

O sensor FGB é uma estrutura simétrica. Sendo assim, sempre irá refletir o mesmo comprimento da onda Bragg, independente do sentido da luz.

Atuação como um sensor de deformação

Um sensor FBG (Fiber Bragg Grating) possui características únicas. Por exemplo, quando a fibra é esticada ou comprimida, o sensor FBG irá medir deformação. Isso acontece porque a deformação de uma fibra ótica ocasionará uma variação da constante foto-elástica da fibra e uma mudança no período da microestrutura, o que resulta numa variação do comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength).

• • Measuring range: 0 to 350 mm
• • Accuracy 1 FS
• • Dimension 20x25mm x 280mm

Atuação como um sensor de temperatura

Sensibilidade à temperatura também é intrínseca nos sensores FBG (Fiber Bragg Grating). Neste caso, o principal contribuinte para uma mudança no comprimento de onda de Bragg (Bragg wavelength) é a variação do índice de refração da sílica, induzido pelo efeito termo-óptico . Também há uma contribuição da expansão térmica, à qual altera o período da microestrutura. Este efeito é, no entanto, marginal devido ao baixo coeficiente de expansão térmica da sílica.

• • Intervalos de medição: -200 ° C a + 800 ° C
• • Nível de detalhe / resolução: +/- 0,1 ° C
• • Número de sensores: 1 a 120 sensores por unidade de processamento eletrônico, acessíveis individualmente

Benefícios:

Por ser um sensor de fibra ótica, o sensor FBG (FiberBragg Grating) possui todas as vantagens normalmente atribuídas a estes dispositivos:
• baixa perda relacionada ao comprimento da fibra
• imunidade à interferências eletromagnéticas e de rádiofreqüência
• pequeno e leve
• operação segura em ambientes onde existem materiais perigosos
• alta sensibilidade
• confiabilidade a longo prazo.

Além disso, a tecnologia do sensor FBG demonstra uma grande capacidade serial de multiplexagem e uma habilidade em promover medições absolutas sem a necessidade de referências. Isto a torna uma alternativa às tecnologias de sensores elétricos convencionais.

Multiplexagem:

Uma das principais vantagens desta tecnologia é a capacidade intrínseca de multiplexagem. Na verdade, centenas de sensores FBG (Fiber Bragg Gratings) podem ser colocados em uma única fibra ótica e podem estar separdos por apenas alguns milímetros ou por vários quilômetros (fig. 5). Com o revestimento apropriado, cada uma destas microestruturas pode se tornar sensível a outros parâmetros além da temperatura ou deformação como, por exemplo, pressão, aceleração, deslocamento, entre outros, tornando-os assim, sensores com características multifuncionais. É importante enfatizar que todos os sensores podem ser endereçados usando uma única fonte ótica. Também, a adição de mais sensores em uma mesma fibra resulta em uma perda mínima, sem mistura de sinais, desde que uma banda espectral (spectral band) suficiente do espectro de luz seja reservada para cada sensor.