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Título: Sensoriamento ótico distribuído e quase-distribuído para o setor de energia
Título(s) alternativo(s): Optical disitrbuted and quasi-distributed sensing for the energy sector
Autor(es): Dreyer, Uilian José
Orientador(es): Silva, Jean Carlos Cardozo da
Palavras-chave: Óptica de fibras
Sensoriamento remoto
Energia - Indústria
Indústria petrolífera
Engenharia elétrica
Fiber optics
Remote sensing
Energy industries
Petroleum, Industry and trade
Electric engineering
Data do documento: 13-Abr-2018
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: DREYER, Uilian José. Sensoriamento ótico distribuído e quase-distribuído para o setor de energia. 2018. 162 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.
Resumo: Nesta tese são apresentados três diferentes sensores fotônicos para aplicações no setor de energia, mais especificamente na geração de energia elétrica e na exploração de petróleo e gás. O primeiro transdutor utiliza redes de Bragg em fibra ótica (FBG) para medição simultânea de temperatura e vibração em estatores de geradores elétricos de potência. Os transdutores desenvolvidos apresentaram sensibilidade de 10 pm/ ºC e erro máximo de 3 ºC na faixa de temperatura em torno de 50 ºC em comparação ao sensor PT 100 de referência. A caracterização em vibração do transdutor foi realizada utilizando um martelo instrumentado e a frequência de ressonância determinada é de 560 Hz. Com o atuador eletromecânico foi determinada a sensibilidade média do transdutor de 7,2 pm/g entre 5 Hz e 1 kHz. Seis transdutores devidamente caracterizados e calibrados foram instalados na usina hidrelétrica de Salto Santiago. A instalação gerou resultados de temperatura e vibração referentes a dois testes com duração de 23 e 45 horas. Todas as FBGs utilizadas para monitorar vibração detectaram as frequências de vibração mecânica (2 Hz) com suas ressonâncias e vibração eletromagnética (120 Hz) do gerador. O segundo sensor é um sistema ótico distribuído para a medição de vibração acústica (Distributed Acoustic Sensing - DAS) utilizando fibra ótica para aplicações futuras no setor de petróleo e gás. Para isso, é utilizado o sistema phi-OTDR baseado na detecção do retroespalhamento Rayleigh coerente. São apresentados resultados da detecção de voz utilizando um microfone ótico com 10 m de comprimento excitado por um alto-falante. Os resultados indicam a possibilidade do sistema, com 10 m de resolução espacial, de detectar voz emitida a partir de um alto-falante 5 cm distante do microfone. Apresentam-se resultados referentes também à detecção de intrusos em laboratório utilizando um cabo ótico do tipo tube-loose. Outros resultados que são apresentados foram obtidos em campo utilizando um cabo ótico enterrado a 15 cm de profundidade no solo. O primeiro e o segundo testes são referentes a impactos aplicados sobre o cabo enterrado. Com esses testes é possível determinar a velocidade de propagação de ondas mecânicas de superfície com o sistema DAS, bem como a localização da fonte de perturbação. O terceiro resultado obtido em campo é a detecção de uma onda sonora se propagando pelo ar causando deformação mensurável pelo cabo enterrado. Nesse teste, a velocidade da onda sonora propagante foi determinada. O terceiro sensor desenvolvido para o setor de energia é baseado em ressonância de modos de perda (LMR) para medição de gases. Realiza-se a comparação de dois tipos de sensores LMR sem e com tratamento térmico em 500 ºC durante 5 h. Verifica-se a estabilidade térmica durante ciclos de temperatura entre 24 ºC e 140 ºC, demonstrando que o sensor com tratamento térmico é mais estável e repetitivo que o sensor sem tratamento térmico. Ao final foram realizados testes com diferentes tipos de gases, sendo o sensor sem tratamento térmico sensível aos gases NH3 , CO2 , O2 e N2O.
Abstract: In this thesis, it is presented the development of three photonic sensors for the energy sector, specifically to the electricity generation as well oil and gas production. The first transducer uses Fiber Bragg Grating (FBG) for simultaneous temperature and vibration measurement in electric power generators stator bars. The transducers present 10 pm/ºC sensitivity and maximum error of 3 ºC within the range of 50 ºC in comparison to the reference PT 100. The vibration characterization used an instrumented hammer determining the resonant frequency of the transducer being of about 560 Hz. With a shaker the average sensitivity of the transducer is determined to be 7.2 pm/g ranging from 5 Hz to 1 kHz. Six transducers calibrated and characterized are installed at the Salto Santiago power plant. The installation generated temperature and vibration results with two tests lasting 23 and 45 hours. All the FBGs used to monitor vibration were able to monitor the frequencies of mechanical vibration (2 Hz) with its resonances as well as the electromagnetic vibration (120 Hz) of the generator. The second optical sensor developed is a Distributed Acoustic Sensing (DAS) using optical fiber to future application in the oil and gas production. For vibration monitoring, a phi-OTDR system based on the detection of Rayleigh coherent backscatter is used. Results of human voice detection are presented using a 10 m long optical microphone excited by a loudspeaker. The results indicate the possibility of the system, with 10 m spatial resolution, to detect voice emitted from a speaker localized 5 cm from the microphone. Results are also presented regarding the detection of intruders in the laboratory using a tube-loose optical cable. Results of field tests using an optical cable buried at 15 cm depth in the soil are analyzed. The first and second tests are related to successive and single impacts over the buried cable. With these tests it is possible to determine the velocity propagation of surface mechanical waves as well as the location of the disturbance source with the DAS system. The third result is the measurement of a sound wave propagating through the air causing measurable deformation in the buried cable. The sound wave velocity travelling through the air is measured with success. The third energy sector sensors results are related to the comparison of two types of Lossy Mode Resonance (LMR) sensors without and with thermal treatment at 500 ºC during 5 h. Thermal stability is verified during temperature cycles between 24 ºC and 140 ºC, showing the sensor with annealing better stability and repeatability than the sensor without annealing. Finally, tests were carried out with different types of gases, being the sensor without thermal treatment sensitive to the gases NH3 , CO2 , O2 e N2O.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/3136
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