BR102014000346A2

BR102014000346A2 - Sistema de detecção de temperatura

Info

Publication number: BR102014000346A2
Application number: BRBR102014000346-0A
Authority: BR
Inventors: Paul D Smith; Paul Rennie; Beth A Dutson
Original assignee: Kidde Tech Inc
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-12-30
Also published as: US9429480B2; EP2752648A2; US20150192476A1; EP2752648A3; GB2509530B; CA2838572A1; GB201300207D0; GB2509530A

Abstract

SISTEMA DE DETECÇÃO DE TEMPERATURA. Um sistema e detecção de temperatura 10 compreende um guia de onda óptico 102, um elemento de liga de memória de forma (SMA) 106 e um interrogador 12. O elemento SMA 106a é deformável em funçãoda temperatura e pelo menos parcialmente circunda o guia de onda óptico 102. O interrogador 12 é configurado para detectar temperatura distribuída ao longo do guia de onda óptico 102 usando espectroscopia e para detectar deformação no guia de onda óptico 102 indu\ida pela deformação do revestimento SMA 106 a para identificar pontos quentes locais ao longo do guia de onda óptico 102

Description

“SISTEMA DE DETECÇÃO DE TEMPERATURA” FUNDAMENTOS [0001] A presente invenção se refere geralmente a sensores e, mais particularmente, a elementos sensores de fibra óptica para detecção de calor e fogo. [0002] Sensores de fibra óptica são atualmente usados para medir uma ampla faixa de parâmetros em sistemas distribuídos variando de locais de construção a asas de aeronaves. Alguns desses sensores incluem sensores de pressão, deformação e temperatura, mas fibras ópticas podem ser usadas qualitativamente para medir qualquer quantidade que possa ser amarrada aos parâmetros físicos de um elemento sensor de fibra óptica. Sensores de temperatura de fibra óptica, por exemplo, operam detectando expansão térmica de um cordão de fibra óptica ou de um revestimento circundante ou folga entre segmentos de cordão com um interferômetro. Um processador de dados correlaciona esta mudança nos parâmetros físicos do elemento de detecção de fibra óptica com uma mudança correspondente em temperatura. [0003] A maioria dos sensores de temperatura de fibra óptica compreende um elemento de detecção de fibra óptica e um interrogador com uma fonte de luz, um espectrômetro e um processador de dados. O elemento de detecção consiste em um cordão de fibra óptica que se estende do interrogador para uma região de detecção. Durante a operação, a fonte de luz do interrogador emite luz pelo elemento de detecção de fibra óptica. Mudanças em temperatura alteram os parâmetros físicos do elemento de detecção e, assim, suas características ópticas. O espectrômetro e o processador de dados avaliam estas diferenças para identificar mudanças em temperatura. [0004] Sensores de temperatura modernos utilizam uma ampla faixa de técnicas de espectroscopia e interferometria. Estas técnicas geralmente caem em duas categorias: detecção pontual e quasi distribuída com base em Grade de Bragg de Fibra (FBGs) e sensores totalmente distribuídos com base em espalhamento Raman, Brillouin ou Rayleigh. A construção particular de elementos de detecção de fibra óptica varia dependendo do tipo de espectroscopia usado pelo sistema de sensor, mas todos os sensores de fibra óptica operam detectando mudanças em parâmetros físicos do elemento de detecção de fibra óptica. Sensores distribuídos Raman, por exemplo, determinam uma temperatura a partir de espalhamento de luz inelástico de vibrações moleculares termicamente excitadas dentro do vidro de dióxido de silício do núcleo de fibra óptica. Luz espalhada sofre um desvio espectral com respeito ao comprimento de onda da luz incidente, isto gera uma componente Stokes de comprimento de onda mais alto e uma componente anti-Stokes de comprimento de onda mais baixo. A intensidade da chamada banda anti-Stokes é dependente da temperatura, ao passo que a banda Stokes é quase independente de temperatura. A temperatura é derivada da razão da intensidade das componentes anti-Stokes e Stokes. [0005] Muitos sistemas de detecção de temperatura são solicitados a detectar tanto condições de superaquecimento difuso, correspondentes a elevações em temperatura no sentido de região ou sistema, quanto condições de superaquecimento local, correspondentes a pontos quentes tão pequenos quanto 25mm ou menos. Para detectar temperatura local, elementos de detecção de fibra óptica convencionais devem ter resolução de medição espacial pelo menos tão fina quanto o mínimo comprimento aquecido requerido para gerar uma condição de alarme correspondente a esse ponto quente. Este requisito de alta resolução espacial aumenta o custo e a complexidade de sensores de temperatura de fibra óptica e aumenta o tempo levado para adquirir medições de temperatura.

SUMÁRIO [0006] A presente invenção é dirigida a um sistema de detecção de temperatura compreendendo uma fibra óptica, um elemento de liga de memória de forma (SMA) e um interrogador. O elemento SMA é deformável em função da temperatura e circunda a fibra óptica. O interrogador é configurado para detectar temperatura distribuída ao longo da fibra óptica usando espectroscopia e detectar deformação na fibra óptica induzida pela deformação do revestimento de SMA para identificar pontos quentes locais ao longo da fibra óptica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0007] A FIG. 1 é um diagrama de blocos esquemático de um sistema de detecção de acordo com a presente invenção. [0008] A FIG. 2a é uma vista em corte transversal simplificada de uma primeira modalidade de um elemento de detecção do sistema de detecção da FIG. 1 em um estado não tensionado. [0009] A FIG. 2b é uma vista em corte transversal simplificada da modalidade da FIG. 2a em um estado tensionado correspondente a uma condição de alarme local. [00010] A FIG. 3a é uma vista em corte transversal simplificada de uma segunda modalidade de um elemento de detecção do sistema de detecção da FIG. 1 em um estado não tensionado. [00011] A FIG. 3b é uma vista em corte transversal simplificada da modalidade da FIG. 3 a em um estado tensionado correspondente a uma condição de alarme local.

DESCRIÇÃO DETALHADA [00012] A FIG. 1 é um diagrama de blocos esquemático do sistema de detecção de guia de onda óptico 10 compreendendo interrogador 12, chave óptica 16 e elementos de detecção 18. O interrogador 12 inclui fonte de luz 20, detector 22 e processador de dados 24. O sistema de detecção de guia de onda óptico 10 pode ser usado para detectar incêndios ou condições de superaquecimento em uma ampla faixa de aplicações, incluindo em aeronave e outros veículos. [00013] O interrogador 12 é um interrogador óptico configurado para sinalizar condições de alarme correspondendo a condições de superaquecimento detectadas de mudanças nas características ópticas dos elementos de detecção 18. A fonte de luz 20 é um laser, tal como uma fonte de luz multilaser de banda ampla capaz de produzir luz a vários comprimentos de onda. O detector 22 é um dispositivo de alta velocidade capaz de avaliar rapidamente deslocamentos relativos em características espectrográficas de luz dos elementos de detecção 18. O detector 22 pode, por exemplo, ser um espectrômetro de alta velocidade ou um detector acoplado a um filtro passa banda individual para cada elemento de detecção 18. O processador de dados 24 é um microprocessador ou dispositivo capaz de lógica configurado para calcular temperatura a partir destes deslocamentos em características espectrográficas de luz de amostragem. O detector 22 e o processador de dados 24 podem usar qualquer técnica espectroscópica adequada para detectar temperatura e deformação por fibra óptica, incluindo métodos totalmente distribuídos usando técnicas de espalhamento Rayleigh, Raman ou Brillouin ou espalhamento Bragg quase distribuído via grades Bragg de fibra (FBGs) distribuídas através de cada elemento de detecção 18. [00014] Os elementos de detecção 18 são elementos de detecção de fibra óptica que se estendem da chave óptica 16 até os locais de detecção dentro de uma região alvo a ser monitorada para condições de superaquecimento e são descritos em detalhes abaixo com respeito às FIGs. 2a, 2b, 3a e 3b. Cada elemento de detecção 18 compreende pelo menos uma fibra óptica pelo menos parcialmente revestida ou enrolada em material de liga de memória de forma (SMA) com uma temperatura crítica selecionada para corresponder a um limiar de temperatura de superaquecimento T|0calAlarm. Embora os elementos de detecção 18 sejam mostrados conectados ao interrogador 12 via chave óptica 16 em apenas uma extremidade, modalidades alternativas podem formar circuitos fechados se estendendo do e terminando no interrogador 18. [00015] Embora uma pluralidade de elementos de detecção 18 seja representada na FIG. 1, a presente invenção pode ser praticada com qualquer número de elementos de detecção. Sistemas com uma pluralidade de elementos de detecção 18 podem conectar vários elementos de detecção a um único detector 22 via uma chave óptica 16, como mostrado, ou podem conectar cada elemento de detecção diretamente a um detector separado correspondente 22. A chave óptica 16 reduz o custo global e a complexidade do sistema de detecção de guia de onda óptico 10 reduzindo o número total de detectores necessários para interrogar uma pluralidade de elementos de detecção 18 e pode ser controlada pelo processador de dados 24 para ciciar pelos elementos de detecção 18a uma taxa de amostragem selecionada para atingir uma resolução especial alvo. [00016] Durante a operação normal, o interrogador 12 detecta uma temperatura totalmente ou quase distribuída de baixa resolução espacial através de cada elemento de detecção 18. Esta baixa resolução espacial poder, por exemplo, ser de aproximadamente 30cm, ou grosseiramente duas a três vezes uma largura de ponto quente mínima requerida para produzir um alarme de superaquecimento local (ver abaixo). A temperatura média medida Tavg é comparada com um limiar de temperatura média TavgAiarm correspondendo a um valor de alarme de condição de superaquecimento. Se Tavg ultrapassar TavgAlarm? o processador de dados 24 identifica um estado de superaquecimento e arma um alarme de superaquecimento distribuído. O processador de dados 24 pode, por exemplo, transmitir uma mensagem de alarme para um sistema de monitoramento ou controle, disparar uma luz ou sirene de alarme e/ou arquivar a condição de alarme com um tempo de alarme para análise mais tarde. O interrogador 12 também detecta deformação através de cada elemento de detecção 18. Temperaturas localizadas TiOCai maiores do que a temperatura de limiar de superaquecimento local TiOCaiAiarm induzem uma mudança de forma local no revestimento SMA do elemento de detecção 18 que é detectada pelo interrogador 12, disparando um alare de superaquecimento local. Como o alarme de superaquecimento distribuído acima, o alarme de superaquecimento local pode avisar transmissão de uma mensagem de alarme, disparar uma luz ou sirene de alarme ou fazer com que a condição e o tempo de alarme sejam arquivados para análise mais tarde. [00017] As FIGs. 2a e 2b ilustram o elemento de detecção 18a, uma modalidade do elemento de detecção 18, em um estado não deformado (FIG. 2a) e um deformado (FIG. 2b). O elemento de detecção 18a compreende o guia de onda óptico 102 e elemento SMA 106a. Algumas modalidades do elemento de detecção 18a ainda compreendem FBG 104, embora outras modalidades possam renegar FBGs e utilizar outros métodos de detecção de temperatura espectroscópicos. FIGs. 3a e 3b ilustram o elemento de detecção 18b o qual é substancialmente idêntico ao elemento de detecção 18b, mas compreende um elemento SMA diferente 106b, como descrito em mais detalhes abaixo. [00018] O guia de ondas óptico 102 é um guia óptico unitário ou compósito, tal como uma fibra óptica, com propriedades ópticas conhecidas. O guia de onda óptico 102 pode ser formado de uma série de seções unidas as quais, por sua vez, podem ser separadas por FBGs, tal como FBG 104. Altemativamente, o guia de onda óptico 102 pode ser formado substancialmente uma única peça. O elemento SMA 106a é um tubo ou hélice de material SMA que deforma para tensionar o guia de onda óptico 102 a uma temperaruta crítica Tcrit. Os elementos SMA 106a e 106b podem ser tubos que encerram totalmente e protegem o guia de onda óptico 102. Altemativamente, os elementos SMA 106a e 106b podem ser bobinas, molas ou estmturas similares que enrolam em tomo do, mas não encerram totalmente o, guia de onda óptico 102, permitindo que o guia de onda óptico 102 seja diretamente exposto ao seu ambiente circundante para elevada sensibilidade a temperatura. Os elementos SMA 106a e 106b podem, por exemplo, ser formados de uma liga Níquel-Titânio com uma razão Níquel/Titânio selecionada como conhecido na técnica para produzir uma temperatura crítica apropriada Tcrit. Em modalidades alternativas, os elementos SMA 106a e 106b podem incluir Vanádio, Cromo, Manganês, Cobalto, Ferro, Alumínio, Paládio ou Ouro. Em modalidades do sistema de detecção de guia de onda óptico 10 utilizando espalhamento Bragg, cada local de medição é provido com pelo menos uma FBG 104 para detectar deformação nas ou entre as FBGs adjacentes 104. [00019] As FIGs. 2b e 3b ilustram as diferentes respostas dos elementos SMA 106a e 106b, respectivamente, a temperatura acima da temperatura crítica Tcrit. O elemento SMA 106a responde a temperaturas acima de Tcrit restringindo em tomo do guia de onda óptico 102, desse modo comprimindo o guia de onda óptico 102 e introduzindo deformação correspondente detectada pelo interrogador 12. O elemento SMA 106b, em contraste, induz deformação no guia de onda óptico 102 dobrando para formar uma dobra ou volta no guia de onda óptico 102. O elemento SMA 106a libera deformação ou tensão mediante retomo a temperaturas abaixo da temperatura crítica Tcrit, desse modo retomando ao estado não tensionado da FIG. 2a. O elemento SMA 106b, em contraste, requer correção externa (por exemplo, via uma mola ou luva de restrição, não mostrada) para desdobrar e retomar ao seu estado pré-tensionado (FIG. 3 a). [00020] Como descrito acima, o interrogador 12 detecta a temperatura média ao longo do elemento de detecção 18 usando espectroscopia de baixa resolução, mas identifica condições de superaquecimento local detectando deformação induzida no guia de onda óptico 102 pela deformação do elemento SMA 106a. Por conseguinte, o material dos elementos SMA 106a e 106b deve ser selecionado para ter uma temperatura crítica Tcrit substancialmente igual ao limiar de temperatura de superaquecimento local TiocaiAiarm· Em algumas modalidades, o interrogador 12 pode usar uma pluralidade de FBGs 104 dispostas nas ou perto das localizações de medição para detectar tanto temperatura quase distribuída quanto deformação. Em outras modalidades, o interrogador 12 pode usar técnicas de detecção de temperatura totalmente distribuída com sensibilidade cruzada a deformação, por exemplo, técnicas de espalhamento Rayleigh ou Brillouin. Em ainda outras modalidades, o interrogador 12 pode usar técnicas de detecção de temperatura insensíveis a deformação de baixa resolução (por exemplo, usando espalhamento Raman) em conjunto com detecção de deformação por meios separados (por exemplo, usando espalhamento Rayleigh ou detecção de deformação à base de polarização ou intensidade). Independentemente da técnica particular selecionada, o interrogador 12 utiliza tanto detecção de temperatura distribuída de baixa resolução quanto detecção de deformação. Detecção de temperatura distribuída de baixa resoluão é usada para identificar condições de alarme de superaquecimento distribuído, enquanto detecção de deformação é usada para identificar pontos quentes localizados. Desta maneira, o sistema de detecção de guia de onda óptico 10 dispensa a necessidade de qualquer detecção de temperatura de alta resolução, embora retendo a capacidade para identificar condições de superaquecimento confinadas em pequenas áreas. Para aplicações em que a localização de um ponto quente localizado é necessária, o interrogador 12 pode identificar a localização de uma deformação introduzida no guia de onda óptico 102 pelos elementos SMA 106a e 106b por meio de interferometria ou medição de tempo de voo. O sistema de detecção de guia de onda óptico 10 é capaz de identificar rapidamente ambos os eventos de superaquecimento distribuído e local sem a complexidade ou a despesa normalmente associada com detecção de temperatura óptica de alta resolução. [00021] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a modalidade(s) exemplar(es), será entendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser usados em lugar de elementos da mesma sem se afastar do escopo da invenção. Alpem disso, muitas modificações podem ser feitas para adaptar uma situação ou um material particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar do escopo essencial da mesma. Em particular, embora os elementos de detecção 18a e 18b sejam descritos acima como incorporando apenas um único cordão de guia de onda óptico 102, modalidades alternativas podem incluir uma pluralidade de guias de onda ópticos paralelos 102 para interferometria comparativa. Portanto, pretende-se que a invenção não seja limitada à(s) modalidade(s) particular(es) divulgadas, mas que a invenção inclua todas as modalidades caindo dentro do escopo das reivindicações em anexo.

Claims

1. Sistema de detecção de temperatura, caracterizado pelo fato de que compreende: um guia de onda óptico; um elemento de liga de memória de forma (SMA) deformável em função da temperatura e pelo menos parcialmente circundando o guia de onda óptico; e um interrogador configurado para detectar temperatura distribuída ao longo do guia de onda óptico usando espectroscopia e configurado para detectar deformação no guia de onda óptico induzida pela deformação do revestimento SMA para identificar pontos quentes locais ao longo do guia de onda óptico.

2. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a espectroscopia tem resolução espacial menor que duas vezes uma largura de ponto quente mínima.

3. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a espectroscopia tem resolução espacial menor que 30cm.

4. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o revestimento SMA é um tubo de material SMA circundando pelo menos uma seção do guia de onda óptico.

5. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o revestimento SMA é uma bobina ou mola de material SMA entrelaçada em tomo de pelo menos uma seção do guia de onda óptico.

6. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que a espectroscopia é insensível a deformação e em que a detecção de deformação compreende detecção de deformação à base de polarização ou intensidade.

7. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a espectroscopia usa técnicas de espalhamento Raman.

8. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a espectroscopia usa espectroscopia de espalhamento Rayleigh ou Brillouin com sensibilidade cruzada a deformação.

9. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o revestimento SMA é configurado para deformar em uma temperatura crítica igual a um limiar de alarme de temperatura de superaquecimento local e, desse modo, deformar o guia de onda óptico.

10. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o revestimento SMA é configurado para restringir na temperatura crítica e, desse modo, comprimir o guia de onda óptico.

11. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o revestimento SMA é configurado para dobrar na temperatura crítica, desse modo dobrando ou entortando o elemento de detecção do guia de onda óptico.

12. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o guia de onda óptico é um de uma pluralidade de guias de onda ópticos e ainda compreende uma chave óptica configurada para ciciar pela pluralidade de guias de onda ópticos.

13. Sistema de detecção de temperatura, de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o interrogador compreende: uma fonte de luz configurada para transmitir luz pelo guia de onda óptico; um detector configurado para detectar deslocamentos relativos em características espectrográficas do guia de onda óptico; e um processador de dados configurado para correlacionar os deslocamentos relativos em características espectrográficas do guia de onda óptico com mudanças em deformação e temperatura no guia de onda óptico.