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DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA ÓPTICA DE MEDIÇÃO DE TEMPERATURA DENTRO DE

GERADORES DE POTÊNCIA

Apresentação: Norberto Bramatti, Eletronorte

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Informações Gerais

Título: Desenvolvimento de Tecnologia Óptica de Medição de Temperatura Dentro de Geradores de Potência

Proponente: Eletronorte

Executor: LIF – COPPE/UFRJ

P&D Ciclo - ANEEL: 2003 - 2004

Tempo Previsto: 18 meses

Início: 11 / 2005

Custo: R$ 497.250,00

Coordenador: Prof. Marcelo M. Werneck, LIF/COPPE

Regina Célia S. B. Allil, LIF/COPPECesar C. Carvalho, LIF/COPPE

Carmem L. Barbosa, LIF/COPPEJorge Dias de Lima, Eletronorte

Equipe técnica da UHE Samuel, Eletronorte

Gerente: Norberto Bramatti, Eletronorte

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Objetivos

• Desenvolver sensores ópticos baseados na tecnologia de rede de Bragg (FBG-Fiber Bragg Grating)

• Medida de temperatura dentro de geradores de potência em usinas hidrelétricas.

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Requisitos

• Diminuição da grande quantidade de cabeamento existente em medidas com Resistance Temperature Detectors (RTDs).

• Capacidade de multiplexação de dezenas de sensores numa única fibra;

• Medidas em tempo real de temperatura dentro de equipamentos de potência.

• Isolamento elétrico;

• Sensoriamento remoto;

• Acesso em ambientes exíguos;

• Inertes quimicamente e imunes a corrosão;

• Faixa de temperatura elevada para diversas aplicações;

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• É um sensor intrínsico obtido com a gravação a laser no núcleo da F. O. A FBG mais simples de ser fabricada é através da técnica da máscara de fase

(Kashyap e colaboradores, 1993, Othonos e Kalli, 1999).

• Resulta na modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra.

• Provoca a reflexão seletiva de uma determinada faixa estreita de luz, do sinal incidente. Essa reflexão chamamos de comprimento de onda de Bragg, da rede.

FBG - Fiber Bragg Grating

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Fabricação com Máscara de Fase

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TB

B

)(

drift térmico teórico = 14,2 pm/°C

Mecanismo da Rede de Bragg

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-55.0

-50.0

-45.0

-40.0

-35.0

-30.0

1554 1555 1556 1557 1558 1559 1560 1561 1562

Comprimento de Onda [nm]

dB

m

40.0oC

51.2oC

61.1oC

70.8oC

80.9oC

90.7oC

95.0oC

Temperature x Wavelength

y = 91.139x - 141975

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1558.2 1558.3 1558.4 1558.5 1558.6 1558.7 1558.8 1558.9

Wavelength [nm]

Tem

pera

ture

[o

C]

Measured

Linear (Measured)

Temperature x Wavelength

y = 91.139x - 141975

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1558.2 1558.3 1558.4 1558.5 1558.6 1558.7 1558.8 1558.9

Wavelength [nm]

Tem

pera

ture

[o

C]

Measured

Linear (Measured)

Resposta Linear

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Variação Linear das FBG em Série

FBGs: 1536,01 nm - 1547,35 nm - 1557,07 nm

-50,0

-49,0

-48,0

-47,0

-46,0

-45,0

-44,0

-43,0

-42,0

-41,0

-40,0

1535 1536 1537 1538 1539 1540 1541 1542 1543 1544 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 1556 1557 1558 1559 1560

Comprimento de Onda (nm)

Potê

ncia

Ópt

ica

(dBm

) .

T=5,0°C

T=15,0°C

T=25,0°C

T=35,0°C

T=45,0°C

T=55,0°C

T=65,0°C

T=75,0°C

T=85,0°C

T=95,0°C

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Setup óptico da caracterização espectral das FBGs adquiridas

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Sensores Ópticos submetidos à variação térmica na faixa de 25 °C a 95 °C.

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Otimização do Ensaio: Sensores Ópticos submetidos à variação térmica na faixa de 25 °C a 95 °C utilizando-se

interrogador ótico e microcomputador.

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Encapsulamento dos Sensores.

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Sistema de Medição Desenvolvido

O sistema é composto de quatro sensores de FBG, uma CPU e um interrogador óptico.

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Interrogador óptico SpectralEye 400/FOS&S

• Spectral Eye-400 (FOS&S)

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Sistema de Medição

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Janela “Wavelengths” apresenta a potência óptica e o comprimento de onda de cada sensor.

Janela “Spectrum” apresenta o pico de identificação do sensor.

Software

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Janela “Temperature” é responsável pela aquisição de dados

Janela “Configuration” altera os valores de referência dos picos.

Software

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Testes em Campo

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Sistema instalado no QLC da Máquina 3

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Temperatura da UGH 5 - 18/08/2010

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Hora

Tem

pera

tura

(o C)

Radiador 2 (FBG 1)

Radiador 1 (FBG 3)

Radiador 6 (FBG 4)

Radiador 4 (FBG 6)

Partida de Máquina e Evolução das Medidas

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Comparação da temperatura entre FBGs e Termopares.

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Capacitação

COPPE/UFRJ

SENSORES A FIBRA ÓPTICA COM TECNOLOGIA FBG PARA MEDIDA DE TEMPERATURA E ALTA TENSÃO

Regina Célia da Silva Barros Allil

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, comoparte dos requisitos necessários à obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica.

Orientador: Marcelo Martins WerneckRio de Janeiro

Setembro de 2010

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Conclusões e Melhorias

Desenvolvimento de sensores diferenciados com diferentes encapsulamentos, dependendo do acesso e do local de instalação. Exemplos: imersão (água ou óleo), contacto (metal) ou ambiente (ar). No caso da temperatura dos enrolamentos e do ferro do estator, o sensor precisará ser pequeno o suficiente para ser inserido nos slots do enrolamento do estator.

• Substituição do microcomputador industrial por um sistema mais simples. Ex: sistema com microcontrolador.

• SensoresFaixa de medida: 0 a 180°C; Exatidão: 1°C; auto-calibrados; até 80 pontos por equipamento de interrogação; Dimensões do elemento sensor: Aprox. 30 mm (comp) x 3 mm (diâmetro); Frequência de varredura dos sensores: 1 kHz.

• SoftwareComunicação com sistema supervisivo; protocolos de comunicação industrial; acesso remoto por browser; histórico, alarmes, etc.

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Contatos

Obrigado!norberto.bramatti@eletronorte.gov.br

(91) 9166-0815