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SENSORES ÓPTICOS DE PROXIMIDADE À FIBRA COM GRADE DE BRAGG BASEADO NA ATUAÇÃO DE FORÇA MAGNÉTICA. Apresentação: Norberto Bramatti, Eletronorte
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SENSORES ÓPTICOS DE PROXIMIDADE À FIBRA COM GRADE DE BRAGG BASEADO NA
ATUAÇÃO DE FORÇA MAGNÉTICA.
Apresentação: Norberto Bramatti, Eletronorte
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Informações Gerais
Título: Sensores Ópticos de Proximidade à fibra com rede de Bragg baseado na atuação de força magnética
Proponente: Eletrobras Eletronorte
Executor: CPqD e UFPA
P&D Ciclo - ANEEL: 2002/2003
Tempo Previsto: 24 meses
Início: 09 / 2005
Custo: R$ 446.178,24
Coordenador: Danilo Cesar Dini, CPqDClaudio Floridia , CPqD
Flávio Borin, CPqDJoão Batista M. Ayres Neto, CPqD
Rogério R. Leite, CPqDEduardo F. Costa, CPqD
Petrus Alcantara Junior, UFPAAngela C. S. Brígida, UFPA
Gerente: Norberto Bramatti, Eletrobras Eletronorte
00:00
Objetivo
Objetivo do projeto: dentro de um programa de desenvolvimento de
sensores ópticos, determinar a configuração e desenvolver um sensor de
proximidade mais adequado para monitorar continuamente o
deslocamento entre o eixo da turbina em relação aos seus mancais , que
atendesse às condições especificadas pela Eletronorte.
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Para deslocamento radial do eixo
Faixa dinâmica de 4 mm
Precisão de 15 m
Deslocamento axial do eixo:
Faixa dinâmica de 12 mm
Precisão de 15 m
Medir a variação da proximidade
Não haver contato
Sem alimentação elétrica
Possibilitar multiplexagem
Baixo custo
Requisitos
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Depende da reflexão na superfície da turbina
Necessidade de alimentação elétrica próximo à turbina
Proposta “A” – óptico-elétrico-óptico
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Fibra Óptica MM 62,5
Laser MM 1.310nm
Medidor de Potência MM
1.310nm
Superfície metálica oxidada
XYZ
Sensor proximidade por reflexão
-70,0
-65,0
-60,0
-55,0
-50,0
-45,0
-40,0
-35,0
-30,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Distância [mm]
Po
tên
cia
@ 1
310
nm
[d
Bm
]
Desenvolvimento de “probes” com fibras MM
Contatos: Komlux, Fotônica, Multimodefo,
Experimentos com “probes” CPqD 6x1, LC
Proposta “B” – Reflexão com fibra multimodo (62,5 µm de diâmetro)
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LED
Circulador
Óptico
Imã
Campo Magnético
1 1
Proposta “C” - Sensor de proximidade magnético com Fiber Bragg gratting - FGB
Variação do comprimento de onda refletido pela FGB
00:00
Desenvolvimento e caracterização dos protótipos por atuação transversal do Ímã na FBG
• Caracterização dos ímãs de NdFeB - Neodimio-Ferro-Boro Nd35
• Medições da força magnética dos ímãs de NdFeB
• Força magnética do ímã contra material ferromagnético
00:00
Desenvolvimento do sensor axial
00:00
In
tens
ity
In
tens
ity
Circulator Inte
nsit
y
Optical
Reception
Signal
Recorded
SOA or
LED
Apenas uma das FBG sofre a ação de deformação devido à proximidade do eixo do rotor, a segunda deverá estar próxima o suficiente para estar na mesma temperatura ambiente que a primeira. O ideal é que as FBG sejam o mais idênticas possível.
Esta configuração elimina dependências da temperatura.
A detecção da potência óptica é feita por um fotodiodo cuja resposta é extremamente mais rápida (100 kHz) que a obtida com um FBG Interrogator, além de ser muito mais econômico.
SOA - Semiconductor Optical Amplifier
Dupla grade de Bragg e Medição da potência Óptica
-70
-60
-50
-40
-30
-20
1549 1550 1551 1552 1553 1554
Wavelength [nm]
Ref
lect
ed P
ow
er [
dB
m]
Proximity [mm] 10.9 5.9 4.4 3.9 3.4
00:00
Variação do comprimento de onda com a distância
00:00
Variação do comprimento de onda com a distância
00:00
Variação do comprimento de onda com a distância
00:00
Variação do comprimento de onda com a distância
00:00
Variação do comprimento de onda com a distância
00:00
Compensação da temperatura
00:00
Compensação da temperatura
00:00
Compensação da temperatura
00:00
Compensação da temperatura
00:00
Splitter 90/10 – referencia de potencia
Circ. 1 – direciona para as grades sensoras de temperatura
Circ. 2 e 3 – direciona para as grades sensoras de proximidade.
wavelength-division multiplexing (WDM) – separa as bandas azul e vermelha
A informação da proximidade da turbina está na variação da potência óptica da luz que retorna de cada sensor óptico de proximidade. Um circuito opto eletrônico converte o sinal óptico em elétrico adequando a amplitude a um nível de tensão
variando entre 0 a 10V.
Esquema de medição para 2 canais
00:00
Desenvolvimento e Testes
BLOCO DE AÇO ASTM668 clE
MICROPOSICINADOR
D
SENSOR DE PROXIMIDADE
SENSOR DE TEMPERATURA
FBG
HASTE DE AÇO
FIBRA ÓPTICA
-64,0
-66,0
-68,0
-70,0
-72,0
-74,0
-76,0
-78,0
-80,0
-82,0
-84,0
-86,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
3,4 mm
Proximidade, D [mm]
Po
tên
cia
Óp
tica
[dB
m]
Fa
ixa
Din
âm
ica
-1
7 d
Bm
Região Linear2,0 a 5,4 mm
-64,0
-66,0
-68,0
-70,0
-72,0
-74,0
-76,0
-78,0
-80,0
-82,0
-84,0
-86,0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
3,4 mm
Proximidade, D [mm]
Po
tên
cia
Óp
tica
[dB
m]
Fa
ixa
Din
âm
ica
-1
7 d
Bm
Região Linear2,0 a 5,4 mm
00:00
40.00 °C
OSA
Medidor de Potência Óptica
SLED
CirculadorÓptico
CirculadorÓptico
Acoplador Óptico
Sensor Óptico de Temperatura
Sensor Óptico de Proximidade
Termopares Canais
1
2
3
Câmara Climática
40.00 °C40.00 °C40.00 °C
OSA
Medidor de Potência Óptica
SLED
CirculadorÓptico
CirculadorÓptico
Acoplador Óptico
Sensor Óptico de Temperatura
Sensor Óptico de Proximidade
Termopares Canais
1
2
3
Câmara Climática
T = 10 °CT = 40 °C T = 70 °C T = 23 °C
D = 4mm - -64,11 -63,76 -64,11
D = 5mm -55,93 -53,30 -51,19 -
D = 6mm -46,12 -46,01 -43,96 -44,05
D → ∞ -42,93 -41,63 -41,06 -39,96
Desenvolvimento e Testes
00:00
Desenvolvimento e Testes
00:00
Desenvolvimento e Testes
0
20
40
60
80
100
Level [dBµV]
150k 300k 500k 1M 2M 3M 4M 6M 10M 30MFrequency [Hz]
MES CPqD F L_pre PK LIM EN 55022-A V QP RFI Voltage QP Limit Class ALIM EN 55022-A V AV RFI Voltage AV Limit Class A
0
20
40
60
80
100
Level [dBµV]
150k 300k 500k 1M 2M 3M 4M 6M 10M 30MFrequency [Hz]
MES CPqD FSL_pre PK LIM EN 55022-A V QP RFI Voltage QP Limit Class ALIM EN 55022-A V AV RFI Voltage AV Limit Class A
00:00
Ensaios de Campo – UHE Samuel - RO
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Possibilidades de Redes de Sensores
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Capacitação – Interação UFPA
Modelagem do Sensor de Proximidade
Coordenador: Prof. Petrus Agripino de Alcantara Junior
Dissertação de Mestrado - Angela Costa Santa Brígida
Dissertação de Mestrado - José Renato Ferreira Alves da Cunha
Contrato CPqD/FUNPEA/UFPA : no. 2364
00:00
• Desenvolvimento de sensores ópticos compactos com conectores óticos, de forma que possibilitem a sua rápida conexão em seu local de uso.
• Desenvolvimento de um "cabeça-de-série" de sensores ópticos de proximidade com características industriais (sensores robustos, confiáveis e de resposta linear).
• Levantamento e quantificação da força atrativa de diversos tipos de imãs em relação aos materiais utilizados nos eixos das turbinas de usinas hidrelétricas para determinação da distância de trabalho mais adequada a ser estabelecida para estes sensores.
• Desenvolvimento de um novo sistema de aquisição óptica baseado na detecção da variação do comprimento de onda de reflexão das FBGs, independente de alterações na atenuação óptica que ocorre ao longo das fibras. Mais sensores em rede, numa única fibra. Possivel em função do aumento da velocidade de varredura dos FBG Interrogator a custos menores.
Conclusões e Melhorias
