BR112020020746A2

BR112020020746A2 - Aparelho para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda óptica, método para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda, sistema de sensor, e, kit para monitorar um mensurando em uma pluralidade de localizações.

Info

Publication number: BR112020020746A2
Application number: BR112020020746-2A
Authority: BR
Inventors: Crispin Doyle; Kevin Jones
Original assignee: Kidde Technologies, Inc.
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-01-19
Also published as: GB2572767B; JP2021532334A; JP7285268B2; EP3775788A2; WO2019197800A3; US20210140802A1; CN112105894A; CA3096778A1; GB201805874D0; CN112105894B; WO2019197800A2; US11549829B2; EP3775788B1; GB2572767A

Abstract

um aparelho para localizar uma anomalia de mensurando, tal como um ponto quente, ao longo de uma guia de onda óptica é provido compreendendo: uma guia de onda óptica, uma fonte de luz configurada para transmitir luz pulsada ao longo da guia de onda, e um primeiro e segundo conjuntos de sensores providos ao longo da guia de onda. cada sensor é configurado para refletir uma porção da luz que propaga ao longo da guia de onda em um respectivo comprimento de onda de sensor correspondente a um mensurando. o primeiro conjunto de sensores provê um ou mais grupos de sensores configurados para detectar uma anomalia de mensurando nesse grupo. o segundo conjunto compreende uma pluralidade de sensores cada qual separado do sensor adjacente desse conjunto por uma distância ao longo da guia de onda maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso. uma pluralidade de sensores do primeiro conjunto é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto. o aparelho compreende adicionalmente um detector configurado para monitorar a luz refletida pelos sensores, e um sistema de controle configurado para controlar a fonte de luz e o detector tanto para localizar pelo menos o grupo contendo uma anomalia de mensurando quanto monitorar o mensurando usando o segundo conjunto.

Description

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APARELHO PARA MONITORAR UM MENSURANDO AO LONGO DE UMA GUIA DE ONDA ÓPTICA, MÉTODO PARA MONITORAR UM MENSURANDO AO LONGO DE UMA GUIA DE ONDA, SISTEMA DE SENSOR, E, KIT PARA MONITORAR UM MENSURANDO EM UMA PLURALIDADE DE LOCALIZAÇÕES CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção diz respeito a um método e aparelho para monitorar um mensurando ao longo de guia de onda e localizar uma anomalia de mensurando ao longo da guia de onda.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Em muitas indústrias é desejável monitorar mensurandos e localizar qualquer anomalia nesses mensurandos, tal como uma temperatura acima ou abaixo de uma faixa operacional normal, em diferentes posições ao longo da instalação. Um tal exemplo é na indústria aeroespacial. Aviões modernos frequentemente fazem uso de “ar de sangria” do motor para funções tais como funcionar o condicionamento de ar, impedir acúmulo de gelo nas superfícies de voo e impedir que componentes eletrônicos fiquem muito frios durante o voo em altitude. Esse ar de sangria é derivado de um motor a jato ou turbo-hélice logo após os estágios de compressor iniciais, e assim ele está a alta pressão e temperatura (até 300 °C) e é transferido em torno do avião em dutos isolados. Se um desses dutos apresentar um vazamento, o ar de sangria quente pode escapar e poderia rapidamente causar dano nos sistemas dos aviões e até mesmo nas estruturas próximas ao vazamento. É, portanto, importante conhecer quando e onde um vazamento ocorre de forma que o fluxo de ar através do duto problemático possa ser interrompido antes de ocorrer qualquer dano.

[003] O método preferido atual de detecção de vazamento ou “Detecção de Ponto Quente” (HSD) envolve dispor um ou dois sensores elétricos contínuos ao longo de cada duto. Esses sensores compreendem um

2 / 42 tubo de metal que forma um condutor externo e um fio suspenso centralmente em um sal sólido, formando um condutor interno. Em operação normal, os dois condutores são eletricamente isolados um do outro mas, quando a temperatura atinge um certo valor, o sal se funde e um curto-circuito é formado entre os mesmos. Isso é detectado e uma medida das características elétricas (por exemplo, resistência e capacitância) entre os dois condutores é usada para determinar a localização do assim chamado ponto quente. Um alarme então será emitido alertando um usuário para a localização do ponto quente. Embora essa tecnologia seja funcional, esse sistema tem certas características desvantajosas, a saber: 1) A temperatura na qual o alarme é emitido é determinada pela composição do sal e não pode ser ajustada, embora diferentes composições possam ser usadas em diferentes partes do sensor para permitir diferentes temperaturas de alarme. 2) Os condutores cheios com sal só podem ser fabricados em pequenos comprimentos e são propensos a quebra sob uma força de cisalhamento. Isso significa que eles são tipicamente produzidos em comprimentos relativamente pequenos e, assim, muitas seções precisam ser conectadas entre si para cobrir um duto completo. Por exemplo, 200 conectores podem ser necessários para cobrir um único duto de ar de sangria de um avião. A instalação desses sensores é demorada. Além disso, cada conector provê um ponto de falha potencial adicional. 3) As cadeias de sensor são pesadas por causa do número de partes metálicas e conectores exigidos. 4) A natureza da medição elétrica significa que o vazamento nem sempre pode ser localizado precisamente.

[004] É conhecido monitorar mensurandos tais como pressão, temperatura ou deformação usando fibras ópticas. Essas técnicas geralmente não apresentam os problemas supramencionados associados com cabos cheios

3 / 42 com sal multi-segmentados. Sensores de temperatura distribuídos (DTS) atuais baseados em detecção de luz retrodispersa, tanto dispersão de Brillouin quanto de Raman, não são adequados para uso em aviões em virtude de exigirem lasers potentes que podem constituir um perigo de ignição por causa de suas unidades de processamento opto-eletrônico de alta energia e caras, e delicadas.

[005] Grades de Bragg em Fibra (FBG) produzem excelentes sensores de temperatura, mas, usá-los para HSD não é direto em virtude de eles serem sensores de ponto e a aplicação demanda cobertura contínua de muitas dezenas de metros de duto. Multiplexação por divisão de tempo (TDM) e multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) são duas técnicas normalmente usadas para monitorar mensurandos usando FBGs.

[006] Os sistemas TDM não podem oferecer a densidade espacial exigida para detectar um vazamento ao longo de um duto de ar de sangria. Em sistemas TDM convencionais, os sensores tipicamente precisam ser separados pelo menos 1 m ao longo da guia de onda a fim de que os pulsos refletidos sejam individualmente resolvíveis de acordo com o tempo de voo. Um vazamento é normalmente altamente localizado e pode só inicialmente se estender por 5 cm, de forma que o sistema tem 95% de chance de perdê-lo completamente.

[007] WDM não pode praticamente oferecer o grande número de sensores exigido para cobrir um duto de ar de sangria. Em WDM, cada sensor FBG é configurado para refletir luz em um diferente respectivo comprimento de onda Bragg em uma diferente banda de comprimento de onda discreta. Sistemas WDM atuais são limitados a aproximadamente 130 sensores FBG por fibra. Se os sensores FBG forem cada qual espaçados 5 cm um do outro, isto é, 20 FBGs por metro, isso limita o sistema a 130/20 = 6,5 m. Isso é muito curto já que um duto de ar de sangria pode se estender 50 m ou mais de comprimento. Muitas fibras, portanto, seriam necessárias para operar um

4 / 42 sistema WDM, que aumenta o custo e a complexidade do sistema.

[008] Reflectometria óptica no Domínio de Frequência é uma técnica para abordar muitas centenas de grades de baixa refletividade em uma fibra. Entretanto, exige instrumentação cara e delicada (tipicamente acima de 100k USD) que não é adequada para aplicações tais como em aviões.

[009] É desejável prover um método e aparelho melhorados para localizar uma anomalia de mensurando ao longo de uma guia de onda óptica que não apresentem as deficiências supramencionadas. Em particular, é desejável prover um aparelho simples, leve, robusto, flexível e barato que possa localizar uma anomalia de mensurando ao longo de uma região alongada extensa, com uma alta precisão espacial.

[0010] Adicionalmente, é desejável poder amostrar o mensurando em um número de localizações discretas ao longo da guia de onda. Em particular, certos sistemas existentes provêm o usuário com a capacidade de localizar uma anomalia de mensurando ao longo de uma guia de onda se e quando ocorre. Entretanto, o arranjo de sensores ópticos não permitir que o próprio mensurando seja monitorado em uma localização identificável na ausência de uma anomalia como essa.

[0011] A invenção é apresentada no contexto de solucionar esses problemas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0012] Um primeiro aspecto da invenção provê um aparelho para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda óptica compreendendo: uma guia de onda óptica; uma fonte de luz configurada para seletivamente emitir luz pulsada de banda estreita de um dado comprimento de onda e duração através da guia de onda óptica e adicionalmente configurada para modular o comprimento de onda da dita luz;

5 / 42 um primeiro e um segundo conjuntos de sensores providos ao longo da guia de onda, em que cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos é configurado para refletir uma porção da luz que propaga ao longo da guia de onda em um respectivo comprimento de onda de sensor correspondente a um mensurando; em que o primeiro conjunto de sensores é configurado em um ou mais grupos de acordo com seus comprimentos de onda de sensor, cada grupo compreendendo uma pluralidade de sensores, em que o comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo é substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nesse grupo é igual; em que cada sensor adjacente do segundo conjunto é separado por uma distância ao longo da guia de onda maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, em que uma pluralidade de sensores do primeiro conjunto é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto; e em que os primeiro e segundo conjuntos são configurados de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no primeiro conjunto seja diferente do comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores no primeiro e segundo conjuntos é igual; um detector configurado para monitorar a luz refletida pelos primeiro e segundo conjuntos de sensores; e um sistema de controle configurado para localizar uma anomalia de medição fazendo com que as seguintes etapas sejam realizadas: (i) transmitir luz ao longo da guia de onda óptica usando a fonte de luz; (ii) monitorar a luz refletida pelo primeiro conjunto de sensores de maneira a obter um espectro medido representando um

6 / 42 mensurando experimentado por cada um dos sensores no primeiro conjunto; (iii) detectar um sinal anômalo no espectro medido, o sinal anômalo tendo um comprimento de onda característico e proveniente de um sensor anômalo do primeiro conjunto de sensores, o sensor anômalo experimentando a anomalia de mensurando; e (iv) localizar pelo menos o grupo compreendendo o sensor anômalo;

[0013] em que o sistema de controle é adicionalmente configurado para monitorar um mensurando em uma pluralidade de posições ao longo da guia de onda óptica fazendo com que as seguintes etapas sejam realizadas: (v) emitir um trem de pulsos de luz de banda estreita ao longo da guia de onda óptica, o trem de pulsos compreendendo uma pluralidade de pulsos em diferentes respectivos comprimentos de onda de pico; (vi) monitorar a luz refletida pelo segundo conjunto de sensores ao longo da guia de onda; e (vii) estimar um mensurando para cada sensor no segundo conjunto com base na luz monitorada refletida pelo segundo conjunto.

[0014] Diferente de sistemas WDM padrões, não existe exigência para que cada um dos sensores reflita luz em um comprimento de onda de sensor diferente quando o mensurando é o mesmo em cada um dos sensores. Isso significa que o aparelho não é limitado pelo número de sensores que podem ser providos ao longo de uma guia de onda. Além disso, diferente de sistemas TDM, o sinal anômalo é detectado no espectro medido (obtido usando a resposta agregada de cada um dos sensores do primeiro conjunto) em vez de resolvendo e analisando a luz refletida de cada sensor individualmente. Isso significa que cada sensor do primeiro conjunto não precisa ser separado por uma distância mínima ao longo da guia de onda. Vantajosamente ainda, usando sensores que são distribuídos ao longo de uma guia de onda óptica em vez de condutores cheios com sal, o aparelho pode ser

7 / 42 feito leve e flexível. Isso é particularmente desejável na indústria aeroespacial onde existe uma tendência para reduzir o peso do avião de maneira a melhorar sua eficiência de combustível.

[0015] Os sensores do segundo conjunto são vantajosamente arranjados de forma que cada pulso que foi refletido por um sensor do segundo conjunto seja individualmente resolvível. Adicionalmente ainda, os sensores do segundo conjunto são configurados para ter um comprimento de onda de sensor diferente dos sensores vizinhos, que são do primeiro conjunto. Isso impede interferência do pulso refletido pelos sensores do segundo conjunto com reflexões dos sensores do primeiro conjunto. Isso permite que o mensurando seja amostrado em uma pluralidade de localizações discretas ao longo da guia de onda correspondentes às posições dos sensores do segundo conjunto. Dados operacionais valiosos podem consequentemente ser obtidos relativos ao sistema no qual a guia de onda é instalada. Além disso, o mesmo comprimento de guia de onda pode ser usado tanto para detectar uma anomalia de mensurando de uma alta densidade de sensores no primeiro conjunto, quanto detectar o mensurando em uma pluralidade de localizações discretas correspondentes aos sensores do segundo conjunto.

[0016] Em alguns cenários, pode ser suficiente simplesmente determinar qual grupo compreende o sensor anômalo a fim de aproximar a localização da anomalia de mensurando. Se apenas um grupo for provido, o grupo contendo o sensor anômalo pode ser identificado tão logo um sinal anômalo seja detectado. Se uma pluralidade de grupos for provida, o grupo compreendendo o sensor anômalo pode ser detectado por um processo de análise do espectro medido. Informação pré-armazenada relativa ao esquema dos grupos pode então ser usada para aproximar a localização da anomalia de mensurando. Se uma localização mais precisa for exigida, a etapa (iv) pode compreender localizar o sensor anômalo transmitindo um pulso de luz no comprimento de onda característico do sinal anômalo e monitorar o tempo de

8 / 42 voo para o sinal refletido. Um sinal anômalo pode consequentemente ser detectado em um espectro medido, e um pulso de luz transmitido em um comprimento de onda característico para o sinal anômalo. Tipicamente apenas o sensor que está experimentando a anomalia de mensurando refletirá uma porção da luz emitida nesse comprimento de onda característico. O tempo de voo para o sinal refletido pode consequentemente ser calculado para localizar o sensor anômalo e consequentemente a posição da anomalia de mensurando. Detectar o sinal anômalo inclui um processo para identificar o comprimento de onda característico.

[0017] O sinal anômalo é tipicamente um pico separado que se torna visível no espectro medido apenas quando ocorre uma anomalia de mensurando. O sinal anômalo tipicamente exibe uma aproximação de um perfil Gaussiano ou similar (tal como um perfil senoidal) correspondente à reflexão por um sensor anômalo da pluralidade de sensores. O comprimento de onda característico ocorre dentro de uma faixa de comprimento de onda ocupada pelo sinal anômalo e pode corresponder ao comprimento de onda de pico ou uma aproximação do mesmo.

[0018] Cada pulso no trem de pulsos da etapa (v) pode ter um comprimento de onda de pico diferente. O trem de pulsos pode consequentemente consistir em uma pluralidade de pulsos, em que cada sucessivo pulso tem um comprimento de onda maior ou menor que o pulso anterior (a mudança no comprimento de onda tipicamente progredindo em uma direção comum entre sucessivos pulsos). Alternativamente, uma pluralidade de pulsos pode ser emitida em um ou mais comprimentos de onda antes de o comprimento de onda da luz emitida ser ajustado para o pulso seguinte no trem de pulsos.

[0019] Os primeiro e segundo conjuntos são preferivelmente arranjados de maneira tal que dois sensores do primeiro conjunto sejam providos adjacentes a cada sensor do segundo conjunto. Os primeiro e

9 / 42 segundo conjuntos podem consequentemente ser intercalados de forma que os sensores do primeiro conjunto sejam providos em ambos os lados de cada sensor do segundo conjunto. Isso permite que uma alta densidade de medições seja obtida.

[0020] O segundo conjunto de sensores é preferivelmente configurado de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto seja substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores no segundo conjunto é igual. Isso simplifica tanto o método de fabricação para a guia de onda quanto o subsequente processo de monitoramento do mensurando usando sensores do segundo conjunto. Em particular, menos pulsos são então exigidos para endereçar cada um dos sensores no segundo conjunto do que se esses sensores tivessem que ter comprimentos de onda de sensor diferentes em valores de mensurando comuns.

[0021] Os grupos do primeiro conjunto são tipicamente espacialmente separados uns dos outros ao longo da guia de onda. Os diferentes grupos do primeiro conjunto podem consequentemente ser não sobrepostos em um sentido espacial. Vantajosamente, uma anomalia detectada pode consequentemente ser mais facilmente atribuída a uma região particular de um conduto no qual a guia de onda é instalada simplesmente pela identificação do grupo compreendendo o sensor anômalo (isto é, sem a necessidade de identificar a localização do próprio sensor anômalo). Tipicamente, uma pluralidade de sensores em cada grupo é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto.

[0022] Mais tipicamente, cada grupo de sensores no primeiro conjunto tem uma maior densidade espacial de sensores do que o segundo conjunto. Diferente dos sensores do segundo conjunto, não existe exigência de separar os sensores adjacentes do primeiro conjunto por uma distância mínima ao longo da guia de onda. É portanto desejável ter uma menor

10 / 42 separação entre cada sensor adjacente do primeiro conjunto do que do segundo conjunto a fim de aumentar as chances de detectar uma anomalia de medição em uma localização particular ao longo da guia de onda. Se, ao contrário, grandes lacunas forem deixadas entre cada sensor do primeiro conjunto, qualquer anomalia de mensurando que ocorre nas regiões da guia de onda desprovidas de sensores pode não ser detectada. Por esse motivo, cada sensor adjacente de cada grupo no primeiro conjunto é preferivelmente separado por uma distância ao longo da guia de onda menor que metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso.

[0023] Os sensores do primeiro conjunto são tipicamente configurados de maneira tal que pelo menos uma porção da luz refletida pelos sensores de cada grupo sobreponha substancialmente em comprimento de onda de maneira a formar uma resposta de grupo para cada grupo tendo uma largura de pico ininterrupta no espectro medido. O sinal anômalo tipicamente não se sobrepõe a nenhuma das respostas de grupo em comprimento de onda. Isso facilita a simples detecção do sensor anômalo.

[0024] O comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo é substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nesse grupo é igual. Desvios menores entre os comprimentos de onda de sensor podem, entretanto, ocorrer em decorrência do processo de fabricação. A palavra “substancialmente” pode ser, portanto, interpretada incluindo comprimentos de onda de sensor em uma faixa de comprimento de onda de 0,1 nm. Preferivelmente, esses comprimentos de onda são iguais quando o mensurando é igual. O comprimento de onda de sensor pode corresponder a um comprimento de onda particular para o qual a refletividade do sensor é mais alta. O comprimento de onda de sensor para um sensor tipicamente varia com mudanças no valor de mensurando. Um sinal anômalo pode então ocorrer

11 / 42 apenas quando o mensurando em um dos sensores em um grupo é significativamente diferente dos demais sensores no grupo. Vantajosamente, a posição apenas do sensor anômalo que experimenta a anomalia de mensurando pode consequentemente ser isolada e detectada.

[0025] Tipicamente, os sensores do primeiro conjunto são configurados de maneira tal que pelo menos uma porção da luz refletida pelos sensores de cada grupo sobreponha substancialmente em comprimento de onda de maneira a formar uma resposta de grupo para cada grupo tendo uma largura de pico ininterrupta no espectro medido, em que o sinal anômalo não sobrepõe a nenhuma das respostas de grupo em comprimento de onda. Mudanças menores em um mensurando podem tipicamente ser experimentadas entre diferentes sensores de um dado grupo, essas mudanças menores correspondendo a variações no ambiente local que são parte das condições operacionais normais. É desejável, entretanto, que uma anomalia de mensurando só seja detectada e localizada se o mensurando for significativamente maior ou menor do que era durante uma medição anterior, ou se diferir substancialmente dos mensurandos monitorados pelos demais sensores do grupo. Arranjando os sensores de cada grupo para formar as respectivas respostas de grupo, um sinal anômalo pode ser identificado usando análise de pico no espectro medido.

[0026] Preferivelmente, os sensores em cada conjunto têm respectivos comprimentos de onda de sensor que ficam em uma banda de comprimento de onda característica para esse conjunto, em que a banda de comprimento de onda característica para os primeiro e segundo conjuntos não se sobrepõem. Por exemplo, cada um dos sensores do segundo conjunto pode ter um respectivo comprimento de onda de sensor que permanece maior ou menor que qualquer um dos comprimentos de onda de sensor para os sensores no primeiro conjunto em variações de temperatura normais ou altas ao longo da guia de onda. Isso simplifica a técnica de aquisição de sinal em virtude de,

12 / 42 após as etapas (i)-(iv) serem realizadas, a fonte de luz pode ser ajustada em um novo comprimento de onda para causar reflexões apenas pelos sensores do segundo conjunto sem o perigo de causar reflexões indesejadas pelos sensores do primeiro conjunto. Por exemplo, a luz transmitida na etapa (i) pode ter um ou mais comprimentos de onda na banda de comprimento de onda característica para o primeiro conjunto. Além disso, a luz transmitida na etapa (v) pode ter comprimentos de onda de pico na banda de comprimento de onda característica para o segundo conjunto.

[0027] A etapa (i) pode ser realizada tanto usando uma fonte de banda larga quanto uma fonte de banda estreita. O uso de uma fonte de banda larga na etapa (i) é potencialmente mais eficiente em virtude de não haver necessidade de realizar uma “varredura espectral” na qual a luz de uma fonte de banda estreita é incrementalmente aumentada ou diminuída. A luz pode, em vez disso, ser transmitida através do espectro de comprimento de onda que previsivelmente causa reflexões por cada um dos sensores do primeiro conjunto. Ao contrário, uma fonte de banda estreita é exigida para abordar individualmente os sensores do segundo conjunto na etapa (v) sem causar reflexões pelos sensores do primeiro conjunto. Similarmente, se o sensor anômalo for localizado de acordo com o tempo de voo de um sinal refletido, uma fonte de banda estreita será usada na etapa (iv). A fonte de luz pode, portanto, ser comutável entre um modo de banda larga para uso na etapa (i) e um modo de banda estreita para uso na etapa (v) e potencialmente também na etapa (iv). É preferido, entretanto, que uma fonte de banda estreita seja usada, entretanto, por causa da melhor razão sinal para ruído obtenível e em virtude de detectores mais simples (e mais baratos) poderem então ser usados.

[0028] As fontes de luz de banda estreita têm uma largura de banda abaixo de 0,1 nm. Preferivelmente, entretanto, a fonte de luz de banda estreita é uma fonte de luz monocromática. Essas têm uma largura de banda entre 0,01 e 0,1 pm. Preferivelmente ainda, a fonte de luz compreende um laser, em

13 / 42 que a largura de banda da luz emitida é preferivelmente abaixo de 75 GHz, mais preferivelmente abaixo de 50 MHz. A fonte de luz é preferivelmente seletivamente comutável entre um modo de onda contínuo e um modo pulsado. O modo de onda contínuo pode ser usado na etapa (i) e o modo pulsado usado na etapa (v) e potencialmente também na etapa (iv). Adicionalmente ainda, a fonte de luz pode compreender um obturador ou mecanismo de comutação configurado para controlar a duração de pulso da luz emitida. A fonte de luz pode consequentemente operar no modo de onda contínuo e um obturador externo ou modulador ser usado para gerar os pulsos.

[0029] Cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos é tipicamente configurado de maneira tal que o comprimento de onda de sensor seja perturbado em resposta a uma mudança em um mensurando no sensor. Por exemplo, cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos preferivelmente compreende grades de Bragg em fibra, em cujo caso o comprimento de onda de sensor de cada sensor é seu comprimento de onda de Bragg.

[0030] O aparelho pode compreender adicionalmente um receptor configurado para monitorar a intensidade da luz refletida ao longo da guia de onda pelos segundos conjuntos de sensores. Se uma fonte de luz de banda estreita ou preferivelmente monocromática for usada, o comprimento de onda da luz emitida pode ser conhecido e assim não existe necessidade de monitorar o comprimento de onda da luz refletida. Se um comprimento de onda particular da luz transmitida causar uma reflexão de pico por um sensor, esse comprimento de onda pode ser entendido ser o comprimento de onda de sensor para esse sensor. OI mensurando nesse sensor pode consequentemente ser inferido correspondentemente, sem a necessidade de medir o comprimento de onda da luz refletida. O receptor pode, portanto, ser configurado para monitorar o mensurando com base na intensidade da luz refletida.

[0031] O mensurando em análise é tipicamente temperatura, mas pode

14 / 42 também ser tensão ou deformação. Além disso, o espaçamento entre cada sensor adjacente do segundo conjunto é tipicamente entre 0,5 e 2,0 metros.

[0032] Um segundo aspecto da invenção provê um método para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda usando um aparelho de acordo com o primeiro aspecto, o método compreendendo: realizar as etapas (i)-(iii) e prosseguir até a etapa (iv) se o sinal anômalo for detectado durante a etapa (iii); e realizar as etapas (v)-(vii) se o sinal anômalo não for detectado durante a etapa (iii).

[0033] Por exemplo, durante realização de um procedimento de iniciação, a preocupação primária pode ser localizar qualquer anomalia de mensurando ao longo da guia de onda óptica. Se uma anomalia de mensurando como essa for detectada, será desejável localizá-la de forma que a ação apropriada possa ser adotada. As etapas (i)-(iv) podem ser repetidas cada vez que um sinal anômalo for detectado, por exemplo, de forma que a anomalia de mensurando seja rastreada. No caso em que não é encontrada nenhuma tal anomalia de mensurando, então os dados do mensurando valiosos podem ser entretanto então obtidos de cada um dos sensores do segundo conjunto realizando as etapas (v)-(vii). Opcionalmente, as etapas (i)- (iii) podem ser repetidas regularmente, tal como a cada 1, 10, 100 ou 1.000 milissegundos.

[0034] A etapa (iii) preferivelmente compreende determinar se o sinal anômalo corresponde a um mensurando em uma faixa de mensurando predeterminada e prosseguir até a etapa (iv) somente se o mensurando estiver dentro da faixa de mensurando predeterminada. A faixa de mensurando predeterminada tipicamente corresponde aos valores predeterminados para um mensurando que são fora de uma faixa operacional normal. A faixa de mensurando predeterminada pode consequentemente incluir todos os valores para um mensurando acima e/ou abaixo de um valor de mensurando

15 / 42 predeterminado, e assim pode ser uma faixa semi-infinita. Alternativamente, a faixa de mensurando predeterminada pode ser finita. Por exemplo, a etapa (iii) pode compreender determinar se o sinal anômalo ocorre em uma faixa de comprimento de onda predeterminada (por exemplo, acima ou abaixo de um limiar de comprimento de onda) e prosseguir até a etapa (iv) somente se o sinal anômalo ocorrer dentro da dita faixa de comprimento de onda predeterminada. Opcionalmente, a etapa (iii) pode compreender determinar se a intensidade de um sinal anômalo excede um limiar de intensidade e prosseguir para a etapa (iv) somente se a intensidade exceder o limiar de intensidade. Isso pode ajudar a assegurar que o sinal anômalo detectado não é o resultado de ruído. Levar em conta que o ruído nos dados é benéfico com cada uma das técnicas de detecção de anomalia discutidas.

[0035] A Etapa (iii) pode compreender detectar o sinal anômalo usando uma técnica de análise espectral. Preferivelmente, a técnica de análise espectral da etapa (iii) compreende comparar o espectro medido com um espectro alvo de maneira a detectar um sinal anômalo no espectro medido correspondente a uma diferença entre o espectro medido e um espectro alvo. O espectro alvo pode corresponder a um espectro medido obtido anterior, por exemplo, durante um processo de calibração.

[0036] Alternativamente, a etapa (iii) pode ser realizada sem referência a um espectro alvo, por exemplo, pela detecção de um pico discernível de certa largura no espectro medido, o dito pico correspondente ao sinal anômalo, e/ou pela detecção de um sinal refletido no espectro medido que ocorre em uma certa faixa de comprimento de onda. Mais no geral, a técnica de análise espectral pode compreender analisar o formato do espectro medido sem referência a um limiar predeterminado tanto da intensidade de sinal óptico quanto do valor de mensurando. Isso pode incluir a identificação de picos. A técnica de análise espectral pode compreender avaliar um parâmetro de excursão representando uma diferença entre o espectro medido e

16 / 42 um espectro previsto e então comparar o parâmetro de excursão com um limiar. Um parâmetro de excursão como esse pode ser baseado na identificação de novos picos ou no movimento de uma posição média ou central dos picos, por exemplo. Além disso, a técnica de análise espectral pode compreender adicionalmente monitorar mudanças nos espectros medidos obtidos em diferentes momentos. Dessa forma, uma série temporal dos espectros pode ser medida e analisada para detectar anomalias em desenvolvimento.

[0037] Preferivelmente, a etapa (i) compreende transmitir luz em uma faixa de comprimento de onda contendo cada um dos comprimentos de onda de sensor para os sensores do primeiro conjunto. Isso pode ser conseguido tanto usando luz de banda larga quanto luz de banda estreita (desde que o comprimento de onda da luz de banda estreita seja ajustado de maneira a cobrir a faixa espectral que engloba cada um dos comprimentos de onda de sensor). Por exemplo, a etapa (i) compreende transmitir luz de banda estreita em uma sequência em cada um dos comprimentos de onda de sensor para os sensores do primeiro conjunto. Essa sequência pode compreender uma série de pulsos em diferentes comprimentos de onda. Alternativamente, o comprimento de onda da luz de banda estreita pode ser ajustado de uma maneira contínua em uma faixa de comprimentos de onda incluindo cada um dos comprimentos de onda de sensor.

[0038] Preferivelmente, a etapa (iv) compreende transmitir um pulso de luz de banda estreita no comprimento de onda característico. Um pulso refletido pode então ser recebido do sensor anômalo apenas.

[0039] É benéfico operar a fonte de luz na forma de um laser em um modo de onda contínuo de maneira a obter o espectro medido e também operar o mesmo laser em um modo pulsado para a etapa (v) e (iv) (se apropriado). Isso também é um habilitador chave para aplicações em que repetida detecção de anomalia e amostragem do mensurando são necessárias

17 / 42 nas quais o método vantajosamente compreende adicionalmente repetidamente comutar rapidamente para frente e para trás entre as etapas (i)- (iii) (opcionalmente também a etapa (iv)) e as etapas (v)-(vii). Isso tipicamente seria habilitado pela operação de um obturador ou modulador externo.

[0040] A etapa (vi) preferivelmente compreende monitorar a intensidade da luz refletida ao longo da guia de onda. O mensurando pode então ser estimado na etapa (v) com base na intensidade monitorada, como anteriormente discutido.

[0041] Um terceiro aspecto da invenção provê um sistema de sensor compreendendo um aparelho alvo e um aparelho de acordo com o primeiro aspecto, em que a guia de onda é arranjada para monitorar um mensurando em diferentes posições ao longo do aparelho alvo. Por exemplo, o aparelho alvo pode ser um conduto configurado para transportar um fluido. Uma variedade de diferentes condutos poderia em princípio ser usada, incluindo tubulações. Tipicamente, a guia de onda é configurada para localizar um vazamento do dito fluido do conduto, o dito vazamento correspondendo à anomalia de mensurando. Por exemplo, o conduto pode ser configurado para transportar um fluido (tal como um líquido ou gás) a uma temperatura substancialmente diferente da temperatura ambiente da guia de onda e/ou a temperatura de do ambiente local. Em um arranjo particularmente vantajoso, o conduto é um duto de ar de sangria de um avião. Alternativamente, o aparelho alvo pode ser um aparelho elétrico, tal como um cabo elétrico. Nesse caso, a guia de onda pode ser configurada para localizar uma anomalia de mensurando na forma de um ponto quente em uma posição ao longo do aparelho elétrico. Esse ponto quente pode ser o resultado de ruptura de isolamento em um cabo ou um outro tipo de falha.

[0042] Um quarto aspecto da invenção provê um kit compreendendo uma guia de onda óptica e uma fonte de luz configurada para transmitir um

18 / 42 pulso de luz ao longo da guia de onda em uma dada duração, a guia de onda óptica compreendendo: um primeiro e um segundo conjunto de sensores providos ao longo da guia de onda, em que cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos é configurado para refletir uma porção da luz que propaga ao longo da guia de onda em um respectivo comprimento de onda de sensor correspondente a um mensurando; em que o primeiro conjunto de sensores é configurado em um ou mais grupos de acordo com seus comprimentos de onda de sensor, cada grupo compreendendo uma pluralidade de sensores, em que o comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo é substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nesse grupo é igual; em que cada sensor adjacente no segundo conjunto é separado por uma distância ao longo da guia de onda maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, em que sensores adjacentes de cada grupo são separados por uma distância menor que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, e em que uma pluralidade de sensores de o primeiro conjunto é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto; e em que os primeiro e segundo conjuntos são configurados de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no primeiro conjunto seja diferente do comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nos primeiro e segundo conjuntos é igual.

[0043] O kit acima é especialmente adaptado para uso como parte do aparelho do primeiro aspecto. Por exemplo, os sensores são arranjados de maneira a serem endereçados de acordo com um protocolo de comunicação

19 / 42 como descrito pelas etapas (i)-(vii). O quarto aspecto portanto provê vantagens similares às discutidas com referência aos aspectos anteriores. Uma vantagem particular do quarto aspecto é que a guia de onda provê uma maior concentração de sensores no primeiro conjunto do que pode ser conseguido ao longo do dado comprimento de guia de onda em sistemas TDM padrões. Além disso, os sensores selecionados dos primeiro e segundo conjuntos podem ser individualmente endereçados de acordo com as técnicas discutidas anteriormente.

[0044] Uma duração de pulso de pelo menos 1 nanossegundo tipicamente será aplicada, entretanto, menores durações de pulso são também consideradas. Similarmente, a separação entre cada sensor do segundo conjunto tipicamente será pelo menos 0,1 metro, embora separações menores sejam também possíveis, particularmente quando a duração de pulso é abaixo de 1 nanossegundo.

[0045] Cada um dos recursos discutidos relativos a um dos aspectos pode também ser usado relativo a qualquer outro aspecto.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0046] Modalidades da invenção serão agora descritas com referência aos desenhos anexos, em que: a Figura 1 é uma ilustração esquemática de um aparelho de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 2 é um fluxograma ilustrando um primeiro estágio de um método de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 3 é um fluxograma ilustrando um segundo estágio de um método de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 4 é um exemplo da resposta espectral de sensores em um grupo comum de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 5 é um primeiro exemplo de uma resposta de grupo obtido de acordo com uma modalidade da invenção;

20 / 42 a Figura 6 é um segundo exemplo de um espectro medido total de acordo com uma modalidade da invenção; e a Figura 7 é um primeiro exemplo de um espectro medido total indicando uma anomalia de mensurando de acordo com uma modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0047] A Figura 1 ilustra um aparelho 1 de acordo com uma modalidade da invenção. O aparelho 1 compreende uma fonte de luz 10 e um detector 20 que são alojados em um interrogador 30. O interrogador 30 compreende um sistema de controle na forma de um sistema de computação compreendendo memória (tanto volátil quanto não volátil) e um processador. O interrogador 30 é configurado para controlar a fonte de luz 10 e o detector 20 para realizar um método que será discutido posteriormente.

[0048] Uma guia de onda óptica 2 na forma de um cabo de fibra óptica é provida. A guia de onda 2 compreende uma pluralidade de sensores 3 distribuídos ao longo de seu comprimento (somente o primeiro sensor é enumerado na Figura 1 por questão de clareza). A fonte de luz 10 compreende um laser regulável que é opticamente conectado à guia de onda 2 para emitir pulsos de luz dentro e ao longo da guia de onda 2 em uma primeira direção

11. A fonte de luz 10 e o detector 20 são acoplados à extremidade proximal da guia de onda 2 de maneira tal que o detector 20 é configurado para receber luz refletida pelos sensores 3 em uma segunda direção 12 oposta à primeira direção 11. Um meio para suprimir reflexões (não mostrado) é provido na extremidade distal da guia de onda 2 em relação à fonte de luz 10 para impedir que reflexões de extremidade propaguem abaixo na guia de onda 2 e que sejam detectadas.

[0049] Cada sensor 3 é configurado para refletir uma porção da luz que desloca ao longo da guia de onda 2 dentro de uma faixa de comprimento de onda para esse sensor (no geral correspondente à FWHM), em que

21 / 42 reflexões de pico ocorrem em um respectivo comprimento de onda de sensor de acordo com um mensurando experimentado pelo sensor 3 (nesse caso, temperatura). Uma pequena porção da luz incidente é tipicamente refletida por cada sensor 3, por exemplo, 1 % no máximo. Cada sensor FBG 3 é portanto de refletividade suficientemente baixa de maneira que os sensores que são mais próximos da fonte de luz 10 não sombreiem fortemente os que estão mais afastados. O sombreamento tem dois efeitos; uma redução na quantidade de luz que chega a um sensor distante, levando a uma redução na razão sinal para ruído, e uma distorção do espectro visto pelo sensor distante, levando a um deslocamento de comprimento de onda aparente. Isso diminui a precisão de qualquer leitura de mensurando inferida. Por exemplo, se os sensores refletirem luz com uma FWHM de 0,18 nm, 26 sensores podem ser providos de refletividade 1 % antes de o máximo erro exceder 1 °C. Alternativamente, 50 sensores podem ser providos a uma refletividade de 0,5% ou 12 sensores a uma refletividade de 2% antes de esse erro ser atingido. O máximo erro ocorre no n-ésimo sensor quando os (n-1) sensores mais próximos tiverem exatamente o mesmo comprimento de onda de sensor.

[0050] Cada sensor 3 compreende uma grade de Bragg em fibra (FBG) 3. Uma FBG compreende uma grade que é gravada no núcleo da guia de onda 2 usando padrões espacialmente variados de luz laser UV intensa para criar modulações periódicas no índice refrativo. Essas modulações periódicas refletem luz que propaga ao longo da guia de onda 2 em um comprimento de onda de predeterminado com base em um dado mensurando. Esse comprimento de onda de Bragg pode consequentemente formar o comprimento de onda de sensor anteriormente discutido. As FBGs podem ser formadas para ter comprimentos de onda de sensor diferentes em condições ambientais similares fabricando as grades de forma que tenham diferentes periodicidades.

[0051] A fonte de luz 10 é configurada para emitir luz monocromática

22 / 42 tendo um largura de banda de 0,04 pm. A fonte de luz 10 é provida com um obturador (ou algum outro mecanismo de comutação) que é usado para controlar a duração de cada pulso emitido. Esse obturador é tipicamente um dispositivo de estado sólido que opera a 100 MHz para prover pulsos de 10 ns, equivalentemente de aproximadamente 1 metro de comprimento. Um exemplo de um obturador adequado é um SOA embutido (Amplificador Óptico de Semicondutor). Alternativamente, um modulador externo poderia ser usado, tal como um EAM (Modulador de Eletroabsorção), ou um modulador Mach-Zehnder de LiNbO3. Esses podem ser usados para produzir curtos pulsos sem chiado excessivo e com um período adequadamente grande de intensidade uniforme. O modulador pode alternativamente compreender um modulador interferométrico, um obturador mecânico, um Modulador Eletro-óptico, ou um Modulador Acústico-Óptico.

[0052] Lasers reguláveis têm uma saída estável e podem ser configurados para seletivamente emitir luz pulsada monocromática de um dado comprimento de onda e duração de pulso através da guia de onda óptica

2. Esses lasers podem ser adicionalmente configurados para modular o comprimento de onda da dita luz emitida de maneira tal que diferentes pulsos possam ser emitidos em diferentes comprimentos de onda. Os pulsos emitidos terão bordas de subida e/ou descida bem definidas para facilitar a detecção de sinal precisa. Exemplos de lasers adequados 10 incluem lasers de cavidade externa, ressonadores de anel, lasers de refletor de Bragg distribuído ajustáveis e lasers de fibra ajustáveis com uma cavidade Fabry-Perot.

[0053] O detector 20 é configurado para monitorar a intensidade da luz refletida e o comprimento de onda da luz recebida é predito pelo interrogador 30 como sendo o comprimento de onda no qual a fonte de luz 10 foi ajustada para cada respectivo pulso emitido. Alternativamente, entretanto, o comprimento de onda pode ser monitorado diretamente pelo detector 20. Exemplos de detectores adequados, portanto, incluem espectrômetros,

23 / 42 interferômetros e detectores de intensidade. Detecção rápida e sensível é usada já que a taxa de amostragem deve ser alta o bastante para assegurar que pontos de dados suficientes sejam amostrados durante o pulso. Um controle de sincronismo flexível para a fonte de luz 10 é usado para modular o comprimento de onda (e potencialmente a duração de pulso) entre diferentes pulsos emitidos e coordenar a detecção de pulsos de retorno com a emissão de pulsos transmitidos.

[0054] Os sensores 3 são divididos em um primeiro conjunto 4 e um segundo conjunto 5. O primeiro conjunto 4 compreende três grupos de sensores: um primeiro grupo 6, um segundo grupo 7 e um terceiro grupo 8 (embora qualquer número de grupos possa ser provido). Os sensores de cada grupo são fabricados de forma idêntica de maneira que o comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo seja aproximadamente igual (isto é, igual dentro de 0,1 nm) quando a temperatura em cada um dos sensores nesse grupo é igual. Os comprimentos de onda de sensor para os sensores em cada grupo diferem substancialmente em relação aos sensores em outros grupos (tipicamente em pelo menos 5 nm). Em mesmas condições ambientais, cada um dos sensores 3 no primeiro grupo 6 tem um primeiro comprimento de onda de sensor λ1, cada um dos sensores 3 no segundo grupo 7 tem um segundo comprimento de onda de sensor λ2 e cada um dos sensores 3 no terceiro grupo 8 tem um terceiro comprimento de onda de sensor λ3. O comprimento de onda de sensor para os sensores 3 no primeiro conjunto 4 é consequentemente rotulado λi, em que i é o número do respectivo grupo ao qual o sensor 3 pertence.

[0055] Apenas três sensores 3 são mostrados em cada grupo por questão de clareza. Em geral, pode haver m grupos providos, cada grupo compreendendo n sensores. Os precisos valores de n e m dependerão das especificidades da aplicação, tais como a faixa de comprimento de onda da fonte de luz, a faixa de mensurando para a qual uma anomalia é detectada, a

24 / 42 FWHM dos espectros de reflexão de sensor, e o número de medições exigido. Por exemplo, n pode ser pelo menos 5, pelo menos 10, pelo menos 50, pelo menos 100, pelo menos 1.000, pelo menos 2.000, e m pode ser qualquer número natural, mas é tipicamente pelo menos 2 e no máximo 10.

[0056] O aparelho 1 forma parte de um sistema de sensor que compreende adicionalmente um aparelho alvo. A guia de onda 2 é arranjada para se estender ao longo do aparelho alvo de maneira tal que os sensores 3 do primeiro conjunto 4 possam detectar a presença de uma anomalia de mensurando em uma posição no aparelho alvo. O mensurando particular que é monitorado dependerá da aplicação. O aparelho 1 poderia ser usado em uma variedade de diferentes aplicações, por exemplo, para detectar a presença de um fluido que vaza de um conduto (em que o fluido em vazamento é mais quente ou mais frio que o ambiente em torno). Por exemplo, o conduto poderia ser uma tubulação que transporta um líquido ou gás quente. O aparelho 1 pode consequentemente ter aplicabilidade particular na indústria de óleo e gás, bem como na indústria de processamento químico. Alternativamente, o aparelho alvo pode compreender cabeamento elétrico, em que a guia de onda é arranjada para localizar pontos quentes em uma pluralidade de diferentes posições ao longo desse cabeamento. Em uma outra modalidade, a guia de onda é arranjada para detectar pontos quentes causados pela ruptura de isolamento dentro de transformadores de alta tensão. Modalidades adicionais incluem a detecção de pontos quentes ou pontos de tensão em túneis, pontes, navios e tubulações. O aparelho é em geral leve e flexível, significando que pode ser convenientemente adaptado modernizado em uma ampla variedade de instalações existentes por meio de um processo de instalação simples.

[0057] Na presente modalidade, o aparelho alvo é um conduto na forma de um duto de ar de sangria de um avião. Esses carregam ar quente de um motor em torno do avião e podem ter até 50 m de comprimento. Caso um

25 / 42 vazamento ocorra ao longo do conduto, uma corrente de ar quente será emitida, que pode ter apenas 25 mm de largura. O aparelho é, portanto, configurado para monitorar a presença de uma anomalia na forma de um ponto quente. É desejável prover uma alta concentração de sensores 3 ao longo de um comprimento do duto de sangria de ar a fim de assegurar que qualquer vazamento seja detectado. Os sensores 3 do primeiro conjunto 4 são portanto separados em intervalos de 25 mm ao longo da guia de onda 2. Isso não pode ser conseguido usando métodos WDM/TDM convencionais como anteriormente discutido. Todos os sensores de cada grupo são espacialmente agrupados de maneira tal que cada grupo se estenda através de uma região diferente do conduto. Por exemplo, somente sensores do primeiro grupo podem ser providos ao longo de uma região do conduto que se estende através de uma asa particular do avião. Isso permite que uma anomalia identificável como resultante do primeiro grupo seja atribuída como proveniente de um ponto quente na respectiva asa do avião. Os sensores 3 do primeiro conjunto 4 são consequentemente arranjados de acordo com as demandas do aparelho alvo (sempre que a detecção de anomalia de mensurando for mais exigida).

[0058] O segundo conjunto 5 compreende uma pluralidade de sensores 3 fabricados de forma idêntica de maneira a terem o mesmo comprimento de onda de sensor λ4 em mesmas condições ambientais. Esse comprimento de onda de sensor λ4 é diferente de qualquer dos comprimentos de onda de sensor do primeiro conjunto 4, e é tipicamente maior ou menor que qualquer dos comprimentos de onda de sensor do primeiro conjunto 4. O segundo conjunto 5 é provido para amostragem do mensurando em uma pluralidade de localizações discretas ao longo da guia de onda 2, e não para localizar uma anomalia de mensurando (que é a função do primeiro conjunto 4). Os sensores 3 do segundo conjunto 5 são tipicamente arranjados fora das “áreas de alto risco” que exigem detecção de anomalia usando o primeiro conjunto 4. Os sensores 3 do segundo conjunto 5 são mais esparsamente

26 / 42 arranjados ao longo da guia de onda 2 do que o primeiro conjunto 4. Além disso, os sensores 3 do primeiro conjunto 4 são emaranhados nos sensores 3 do segundo conjunto 5. Em particular, uma pluralidade de sensores 3 do primeiro conjunto 4 é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto 5. Dessa forma, anomalias de mensurando podem ser detectadas ao longo do mesmo comprimento de guia de onda 2 que é usado para amostrar o mensurando usando o segundo conjunto 5. Na presente modalidade, cada grupo de sensores 3 do primeiro conjunto é provido entre dois sensores adjacentes 3 do segundo conjunto 5.

[0059] Cada sensor adjacente 3 do segundo conjunto 5 é separado por uma distância ao longo da guia de onda 2 maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso. Isso é a mínima separação que pode ser conseguida ainda exigindo que o pulso refletido por cada sensor consecutivo 3 seja individualmente resolvível pelo detector. Isso assegura que cada sensor 3 do segundo conjunto 5 seja endereçável usando técnicas TDM. O fator de meio é responsável pela mudança na direção da luz entre pulsos emitidos e refletidos. Para um pulso de 10 ns a mínima separação é cerca de 1,0 metro. Mais tipicamente, a separação entre cada sensor adjacente 3 do segundo conjunto 5 é pelo menos 0,1 metro, entretanto, menores separações poderiam ser usadas. Similarmente, embora a duração de pulso tipicamente seja pelo menos 1 nanossegundo, menores durações de pulso podem ser usadas, por exemplo, quando a guia de onda óptica é formada de quartzo puro e fundido dopado.

[0060] Em algumas modalidades, pode ser desejável ter espaçamento irregular entre sensores adjacentes dos primeiro e segundo conjuntos 4, 5. Por exemplo, cada grupo do primeiro conjunto 4 pode ser arranjado em uma posição correspondente a uma seção do aparelho alvo com probabilidade de superaquecer. Sensores 3 do mesmo grupo podem ser agrupados nessas seções. Além disso, algumas dessas seções podem ser maiores que outras e

27 / 42 assim os grupos correspondentes sobrejacentes a essas seções podem compreender mais sensores 3 correspondentemente. Similarmente, pode haver seções da guia de onda 2 para as quais não é desejável obter leituras de mensurando, por exemplo, onde a guia de onda não está em contato imediato com o aparelho alvo. Sensores 3 do segundo conjunto 5 podem não ser providos ao longo dessas seções.

[0061] Cada sensor 3 dos primeiro e segundo conjuntos 4, 5 tem o mesmo comprimento (tipicamente entre 1 e 10 mm). Outros tipos de sensores poderiam também ser usados para os quais mudanças em um mensurando local são traduzidas em mudanças na reflexão. Por exemplo, sensores de modulação de intensidade, sensores interferométricos (tais como cavidades de Fabry-Perot) ou filtros de película fina podem ser usados.

[0062] Os sensores do primeiro conjunto 4 podem ser configurados para ter uma alta refletividade de pico a fim de aumentar a probabilidade de detectar uma anomalia de mensurando. No segundo conjunto 5, cada sensor 3 pode ter uma refletividade de pico diferente. Por exemplo, a refletividade de pico pode aumentar de acordo com a distância da fonte de luz 10. Isso assegura que os sensores 3 que são mais próximos à fonte de luz 10 não interferem nas tentativas de medir o comprimento de onda de sensor dos sensores 3 que são mais afastados por meio de sombreamento (como anteriormente descrito).

[0063] Cada sensor 3 do segundo conjunto 5 é provido a uma distância conhecida da fonte de luz e retorna um sinal refletido resolvível individualmente. Um ou mais sensores 3 do segundo conjunto 5 podem portanto ser usados para calibrar o interrogador 30. Em particular, o tempo decorrido entre quando um sinal elétrico é gerado para causar a emissão de um pulso de luz e a medição subsequente do pulso refletido pode ser medido para calcular a velocidade da luz na guia de onda 2 e qualquer atraso mecânico ou elétrico presente.

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[0064] Uma modalidade de um método para implementar a invenção usando o aparelho 10 será agora discutida. O primeiro estágio do método envolve um processo para localizar uma anomalia de mensurando. Isso será agora discutido com referência ao fluxograma da Figura 2. Inicialmente, com o obturador fechado, a fonte de luz 10 é ajustada em um primeiro comprimento de onda correspondente ao menor comprimento de onda de sensor no primeiro grupo 6 que é previsto em uma faixa de mensurando predeterminada (em geral a toda a faixa de trabalho para os sensores 3). Tipicamente, o comprimento de onda de sensor é perturbado em até 1 nm por 100 °C de variação na temperatura. Uma faixa de trabalho total para um sensor 3 é consequentemente tipicamente entre 1 e 2 nm.

[0065] Na etapa 101, luz monocromática é transmitida pela fonte de luz 10 ao longo da guia de onda 2 pela operação do obturador. Se o comprimento de onda da luz emitida estiver dentro de uma respectiva faixa de comprimento de onda para um sensor 3 (aproximando da FWHM do sensor, centralizada no comprimento de onda de sensor), esse sensor 3 refletirá uma proporção da luz emitida de volta no interrogador 30. Reflexões máximas (isto é, onde a intensidade da luz refletida é máxima) ocorrerão quando o comprimento de onda da luz emitida for igual ao comprimento de onda de sensor. Nessa modalidade, a FWHM de cada sensor 3 é aproximadamente 0,3 nm, entretanto, de forma mais geral, a FWHM pode variar entre 0,1 e 2 nm, dependendo do tamanho das FBGs escolhidas. Em algumas modalidades, pode ser desejável usar sensores 3 que refletem luz a uma FWHM entre 0,1 e 0,2 nm. Perturbações menores do comprimento de onda de sensor que ocorrem por causa de uma mudança no mensurando são detectáveis como uma frequência de pico modulada.

[0066] A intensidade de qualquer luz refletida é monitorada pelo detector 20 na etapa 102. O comprimento de onda para a luz refletida é determinado pelo interrogador 30 a partir do comprimento de onda ao qual a

29 / 42 fonte de luz 10 foi ajustada antes de a luz refletida ser detectada.

[0067] Na etapa 103, com o obturador fechado, o comprimento de onda da luz produzida pela fonte de luz 10 é aumentado, por exemplo, em 100 pm, e o obturador é então operado para transmitir luz ao longo da guia de onda 2 em um novo comprimento de onda. Alternativamente, o obturador pode permanecer aberto enquanto o comprimento de onda é aumentado e a luz refletida ignorada até que o comprimento de onda desejado seja atingido. Opcionalmente, o obturador pode então ser operado para transmitir um pulso de luz no novo comprimento de onda. Usando uma fonte de luz com uma largura de banda que é substancialmente menor que a FWHM do sensor 3, e aumentando o comprimento de onda da luz emitida em intervalos que são substancialmente menores que a FWHM (por exemplo, intervalos um quinto da FWHM), amostras suficientes são feitas do espectro de reflexão de cada sensor 3 no primeiro grupo 6 de forma que uma boa medida dos comprimentos de onda de sensor nesse grupo podem ser feias. As etapas 101 a 103 são repetidas até que o máximo comprimento de onda na faixa predeterminada associada com o primeiro grupo 6 seja atingida. Essas etapas são então repetidas para cada um dos demais grupos 7, 8. O comprimento de onda da luz emitida permanece dentro de uma banda de comprimento de onda característica correspondente ao primeiro conjunto 4 apenas durante esse processo. Essa banda de comprimento de onda é tipicamente na faixa de 1528 a 1568 nm (correspondente à “banda C” referida na indústria de telecomunicações). A intensidade da luz refletida em cada um dos comprimentos de onda é então agregada para obter um espectro medido correspondente aos sensores 3 no primeiro conjunto 4 apenas. Opcionalmente, uma curva pode ser ajustada no espectro medido como parte da etapa 103.

[0068] As etapas 101-103 poderiam ser realizadas usando tanto emissão pulsada quanto contínua de luz, com a informação de comprimento de onda obtida do interrogador 30. Alternativamente, uma fonte de luz de

30 / 42 banda larga poderia ser usada para emitir luz contínua ou pulsada por toda a faixa de comprimento de onda, enquanto a intensidade e comprimento de onda da luz refletida é monitorada usando um espectrômetro.

[0069] As etapas de transmissão e aquisição de sinal (101-103) podem ser completadas através da banda de comprimento de onda característica para o primeiro conjunto 4 rapidamente e em pouco tempo como 1 milissegundo ou menos. É vantajoso que essas etapas portanto sejam repetidas diversas vezes para construir um espectro medido médio tendo uma melhor razão sinal para ruído do que poderia ser conseguido usando uma única varredura.

[0070] Um primeiro exemplo de um espectro compreendendo sinais na forma de reflexões de sensores 3 no primeiro grupo 6 é mostrado pela Figura 4. Cada sinal está sobrepondo em comprimento de onda. Embora cada um dos sensores 3 seja fabricado de forma que as grades tenham a mesma periodicidade, mudanças na temperatura ou deformação (por exemplo), bem como desvios de fabricação menores, entre os diferentes sensores 3 farão com que os respectivos comprimentos de onda de sensor difiram ligeiramente, como mostrado pela Figura 4. Quando agregados, entretanto, os comprimentos de onda de sensor formam uma resposta de grupo mostrada pela Figura 5 tendo um pico ininterrupto no espectro medido, centralizado em um comprimento de onda de aproximadamente λl.

[0071] Na Figura 4, a intensidade do pulso refletido por cada sensor 3 é aproximadamente 25% do valor de saturação do detector 20. Quando esses sinais são agregados no espectro da Figura 5, o detector 20 satura, dando a resposta de topo plano mostrada. Não é possível determinar o comprimento de onda de qualquer dado sensor 3 nessa característica de reflexão ampla, embora a faixa de máxima e mínima temperaturas ao longo da guia de onda 2 possa ser estimada olhando as bordas de comprimento de onda baixa e alta da característica. Em algumas modalidades, o ponto de saturação para o detector ocorre logo acima de 100% da potência de saída para a fonte de luz, já que

31 / 42 isso pode permitir melhores medições de intensidade. Os sensores 3 de qualquer refletividade podem ser usados desde que um sinal impo possa ser obtido.

[0072] A Figura 6 mostra adicionalmente um espectro medido indicando a resposta de grupo de cada um dos grupos 6, 7, 8 do primeiro conjunto 4. Na etapa 104, esse espectro medido é analisado. Na presente modalidade, o espectro medido é comparado a um espectro alvo e qualquer diferença é identificada pelo interrogador 30. O espectro alvo pode ser uma resposta espectral armazenada em memória que supostamente os sensores 3 fornecem em “condições operacionais normais” nas quais não ocorre anomalia de mensurando. O espectro alvo poderia corresponder a um espectro medido anteriormente, por exemplo, para o qual não ocorreu anomalia de mensurando, e pode ser gerado por um processo de calibração. O espectro medido pode então ser subtraído do espectro alvo (resultando em um “espectro de diferença”) de maneira a identificar a anomalia.

[0073] Alternativamente, um método de análise de pico pode ser realizado no espectro medido no qual as respostas de grupo são identificadas juntamente com qualquer outro pico distinto que não se sobrepõe â resposta de grupo. A respostas de grupo podem consequentemente formar o espectro alvo com o qual o espectro medido (que inclui adicionalmente qualquer outro pico) é comparado. Em alguns casos, a anomalia pode, portanto, ser identificada por análise espectral sem limiar predeterminado de intensidade de sinal óptico ou valor de mensurando. Nessa abordagem, um parâmetro de excursão pode ser definido para representar a excursão da anomalia fora da “faixa normal” do mensurando representado no espectro, com esse parâmetro de excursão então sendo comparado a um limiar.

[0074] A análise espectral, quer definindo um parâmetro de excursão ou não, poderia envolver a detecção de um pico separadamente resolvível, tal como procurando um ponto de inflexão para cima na parte inclinada para

32 / 42 baixo do espectro de reflexão. Consequentemente, não é necessário conhecimento prévio do valor da anomalia e não é feita comparação com nenhum sinal armazenado de um arranjo sem anomalia. Isso é particularmente vantajoso na prática, uma vez que simplifica qualquer exigência de calibração inicial ou regular e tolera qualquer derivação a longo prazo nos dados do sistema causados por mudanças no sistema físico, em vez do próprio mensurando.

[0075] Uma abordagem adicional, que pode ser usada em combinação com qualquer das técnicas supradescritas, é identificar a anomalia procurando mudanças no espectro com o tempo. Isso pode ser conseguido realizando uma varredura dos comprimentos de onda relevantes como descrito (etapas 101- 103), comparando os dados espectrais obtidos com os de uma varredura anterior (tal como subtraindo os dados de varredura anteriores) e então procurando características envolventes nos dados espectrais. Anomalias podem ser classificadas com base no formato do “espectro de diferença” (resultante da comparação), características no espectro de diferença que excedem um valor de intensidade ou comprimento de onda limiar ou na taxa de mudança das características no espectro de diferença em função do número de varreduras. O espectro de diferença poderia ser calculado a partir de uma média corrente de qualquer número de espectros anteriores ou de uma média ponderada no tempo apropriada.

[0076] A Figura 7 provê um exemplo de um espectro medido que exibe um pico tendo um comprimento de onda característico λH que não se sobrepõe a nenhuma das respostas de grupo. Nesse exemplo, cada um dos sensores 3 no segundo grupo 7 está em uma temperatura similar, exceto um, que está experimentando uma anomalia de temperatura na forma de um “ponto quente”. O comprimento de onda de sensor desse sensor anômalo é, portanto, perturbado no λH (no sentido de um maior comprimento de onda). O sinal anômalo tem uma FWHM de 0,3 nm. As respostas de grupo são

33 / 42 exageradas nos desenhos, mas produzem uma característica mais ampla no espectro medido, se estendendo em uma maior faixa de comprimento de onda do que o sinal anômalo. Na Figura 7, cada resposta de grupo tem uma largura de aproximadamente 1 nm. A resposta de grupo para o segundo grupo 7 e o sinal anômalo são separados por 0,5 nm, correspondente a uma diferença de temperatura de 50 °C.

[0077] Qualquer diferença entre os espectros alvos e medidos é, então, investigada usando qualquer das técnicas supradescritas. Na etapa 105, se a intensidade de um sinal resultante correspondente à diferença entre os espectros alvos e medidos exceder um limiar de intensidade correspondente ao “nível de ruído” (por exemplo, 5% de saturação do detector), esse sinal é atribuído a um sinal anômalo proveniente de um sensor anômalo experimentando uma anomalia de mensurando. Em algumas modalidades, os sinais anômalos são apenas identificados para picos dentro de uma faixa de comprimento de onda predeterminada, por exemplo, acima ou abaixo de um limiar de comprimento de onda, o limiar de comprimento de onda correspondendo a um mínimo desvio de temperatura que uma anomalia de temperatura tem que ter. Por exemplo, pode ser definida uma exigência de que as anomalias de temperatura sejam detectadas somente se a variação no comprimento de onda for pelo menos 0,4 nm; correspondente a uma variação de temperatura de 40 °C em relação à resposta de grupo ou um espectro pré- armazenado. Em outros casos, a anomalia é identificada com base em um desvio ou mudança na resposta, em vez de ser baseada na magnitude absoluta dos comprimentos de onda ou intensidades em questão.

[0078] Em ainda um exemplo adicional, a etapa 105 pode ser realizada sem referência a um espectro alvo absolutamente. Por exemplo, o sinal anômalo poderia ser detectado procurando um pico no espectro medido que ocorre a um comprimento de onda ou faixa de comprimento de onda predeterminado que corresponde a uma anomalia de mensurando (com base

34 / 42 em que uma reflexão ocorrerá apenas nesse comprimento de onda se uma anomalia de mensurando estiver presente). Opcionalmente, o interrogador 30 só pode detectar sinais tendo uma largura e/ou altura limiar no espectro medido. Não é necessária comparação, a não ser com valores armazenados para intensidade limiar, largura de característica e potencialmente a máxima intensidade da característica.

[0079] Alternativamente ainda, o interrogador 30 pode ser configurado para detectar um mínimo no espectro medido (o mínimo ocorrendo entre a resposta de grupo e o sinal anômalo) a fim de detectar a presença do sinal anômalo. Alternativamente, um limiar de intensidade pode ser usado para detectar a presença do sinal anômalo. Por exemplo, em vez de procurar um mínimo e então um máximo, o interrogador 30 pode procurar um sinal que cruza uma intensidade limiar em uma direção positiva e então em uma direção negativa. O ponto médio desses dois cruzamentos pode então ser calculado para determinar o comprimento de onda de pico do sinal anômalo.

[0080] Referindo-se novamente à Figura 7, um pico centralizado em λH que não se sobrepõe a nenhuma das respostas de grupo é identificável. Pode-se considerar que esse sinal se origina em um sensor no segundo conjunto, em virtude de ele estar mais próximo à resposta de grupo para o segundo conjunto 7. Cada grupo pode ser atribuído com seus próprios limiares de intensidade e comprimentos de onda que é programado no firmware do interrogador 30. Os limiares podem ser controláveis usando software no interrogador 30. No presente caso, o pico centralizado em λH excede o limiar de intensidade para o segundo grupo 7 e assim é identificado como um sinal anômalo. O sinal anômalo corresponde a um pulso refletido proveniente de um sensor anômalo do segundo grupo 7 que é localizado proximal a um vazamento no conduto e consequentemente experimentando um ponto quente. A localização da anomalia de mensurando pode consequentemente ser aproximada em algum lugar na porção da guia de onda

35 / 42 compreendendo os sensores do segundo grupo 7. Informação pré-armazenada relativa ao esquema dos conjuntos pode então ser usada para relacionar essa localização a uma porção do conduto contendo o vazamento. Em algumas aplicações, isso pode prover informação suficiente para o método ir direto para a etapa 109 onde uma decisão é feita relativa se emite um alarma e inicia qualquer outra medida de precaução. Por exemplo, na aplicação de ar de sangria anteriormente discutida, cada duto pode compreender diversas “zonas de isolamento”, cada uma separada por uma ou mais válvulas. Cada grupo de sensores do primeiro conjunto 4 pode ser localizado em uma respectiva zona de isolamento. Alternativamente, pode haver mais que um grupo por zona de isolamento, mas não mais que uma zona de isolamento por grupo. A detecção do grupo no qual a anomalia ocorreu é, portanto, suficiente para permitir que uma decisão seja tomada para fechar a(s) válvula(s) correspondente(s) a essa zona de isolamento. O método pode então ir para as etapas 106-108 de forma que uma localização mais precisa da anomalia de mensurando possa ser encontrada. Essa informação pode ser usada para ajudar a equipe de manutenção a encontrar o vazamento mais rapidamente e sem precisar remover painéis de acesso desnecessariamente. Na presente modalidade, o método em vez disso vai da etapa 105 diretamente para as etapas 106-108 de forma que uma localização mais precisa da anomalia de mensurando possa ser encontrada.

[0081] O comprimento de onda de sensor do sensor anômalo é então identificado como o comprimento de onda de pico para o sinal anômalo. O valor de mensurando correspondente é calculado com uma precisão de ± 5°C (ou menos) e esses dados são subsequentemente armazenados em memória. Em algumas modalidades, o método então vai para a etapa 106 somente se o valor de mensurando para o sensor anômalo exceder um limiar de mensurando predeterminado. Se não for detectado sinal anômalo, ou o valor de mensurando não exceder o limiar de mensurando predeterminado, o

36 / 42 método vai para o segundo estágio 200 (Figura 3), ponto este em que o mensurando é medido em posições ao longo da guia de onda usando o segundo conjunto 5. Isso será discutido posteriormente. Alternativamente, as etapas 101-105 poderiam ser repetidas nesse ponto.

[0082] Na etapa 106, o comprimento de onda da luz produzida pela fonte de luz 10 é ajustado a um comprimento de onda característico para o sinal anômalo e um pulso de luz é subsequentemente transmitido ao longo da guia de onda 2. Em alguns casos, pode não ser possível ajustar o comprimento de onda da luz produzida pela fonte de luz 10 exatamente no comprimento de onda de sensor, por exemplo, em virtude de o ajuste ocorrer em etapas discretas e o valor de pico cair entre dois pontos de ajuste. O comprimento de onda característico pode, portanto, ser o comprimento de onda, mais próximo ao comprimento de onda de sensor do sensor anômalo, no qual a fonte de luz 10 é capaz de transmitir luz. Preferivelmente, o comprimento de onda característico ocorre na FWHM do sinal anômalo a fim de que um pulso refletido seja retornado com pelo menos 50% da máxima intensidade possível. Fora dessa faixa a reflexão seria mais fraca, mas ainda mensurável.

[0083] É uma vantagem significante na prática que a detecção de anomalia seja feita por análise de um espectro adquirido por um laser CW (onda contínua) capaz de também operar em um modo pulsado. Um laser como esse provê vantagens quando em modo CW, em termos de intensidade de sinal, duração e relaxação de exigências a respeito de velocidade do detector, e na mesma taxa de amostragem e sincronismo da amostragem digital da saída do detector. Em um caso desses, a localização da anomalia é realizada ajustando o laser à anomalia e comutando o mesmo laser para o modo pulsado, onde apenas considerações de sincronismo são importantes e a medição da amplitude precisa do sinal retornado não é crítica. Esse modo pulsado pode também ser no segundo estágio 200 de monitoramento do mensurando usando o segundo conjunto 7. Dessa forma, apenas uma única

37 / 42 fonte de luz 10 é usada, que pode operar em modo CW (ou certamente modo pulsado) para as medições espectrais e a mesma fonte é operada em modo pulsado para a medição de localização. O uso desses modos alternativos permite otimização para cada função. Comutar rapidamente para frente e para trás entre um modo de varredura e um modo de localização (com qualquer tipo de laser adequado) permite que a evolução de qualquer anomalia seja rastreada e reduz o risco de o modo de sincronismo perder o rastreamento da anomalia no domínio de comprimento de onda. Essa comutação pode ser repetida eficazmente indefinidamente. A comutação é preferivelmente realizada de forma rápida o bastante para que a anomalia não mova mais que uma fração predeterminada do pico com, por exemplo, 0,5 x (FBG FWHM) entre ciclos de varredura/pulso.

[0084] Na etapa 107, o tempo de voo para o pulso refletido é monitorado pelo interrogador 30. A localização do sensor anômalo (do qual o sinal anômalo se origina) é calculado na etapa 108 a pelo tempo de voo usando , onde d é a distância do interrogador 30, c é a velocidade da luz em um vácuo, t é o tempo decorrido entre quando o pulso foi emitido pela fonte de luz 10 e quando o pulso refletido foi detectado pelo detector 20 (isto é, o “tempo de voo”), e n é o índice refrativo efetivo da guia de onda 2. A distância calculada de acordo com esta equação é então comparado aos dados pré-armazenados relativos ao esquema da guia de onda 2 de maneira a determinar a localização do sensor anômalo e portanto também a localização da anomalia de mensurando. Por exemplo, se a guia de onda 2 for instalada em um veículo, a distância calculada pode corresponder a uma posição particular no veículo onde uma anomalia de mensurando foi detectada (tipicamente com uma precisão de ± 0,5 m). Opcionalmente, informação pré- armazenada relativa à distribuição dos sensores 3 pode também ser usada para determinar mais precisamente a localização do sensor anômalo.

[0085] O método então vai para a etapa 109 onde o interrogador 30

38 / 42 determina se emite ou não um sinal de saída, por exemplo, que dispara um alarme. Por exemplo, o valor de mensurando pode ser comparado a um valor limiar, que pode ser específico para essa localização ao longo da guia de onda

2. Para uma aplicação de ar de sangria, a faixa de temperatura operacional normal pode ser -55 a 125 °C e a temperatura que pode ser experimentada durante uma anomalia de mensurando pode ser tão alta quanto 300 °C. Na prática, o valor limiar pode ser 20 °C maior que a máxima temperatura operacional prevista. Se o interrogador 30 determinar que um alarme deve ser emitido, o sinal de saída é gerado, fazendo com que um alarme seja disparado em uma interface de usuário (não mostrada) que é eletricamente conectada ao interrogador 30. O alarme informa ao usuário a respeito da localização da anomalia de mensurando e opcionalmente o próprio valor de mensurando (por exemplo, a temperatura do ponto quente) de forma que o usuário possa atuar correspondentemente. Esses dados serão armazenados na memória do interrogador 30. Opcionalmente, um sinal de saída que dispara um alarme pode ser gerado imediatamente após a detecção de um sinal anômalo na etapa

106. Em outras modalidades, um sistema de controle (que pode formar parte do interrogador ou corresponder a um sistema de computação separado) pode automaticamente adotar ação em resposta ao sinal de saída, por exemplo, para operar um extintor de incêndio em uma seção do aparelho alvo correspondente à localização do sensor anômalo. Alternativamente, o sistema de controle poderia mudar a operação do aparelho alvo em resposta ao sinal de saída.

[0086] O método então vai para a etapa 110 após o que retorna para a etapa 101 e o processo de detecção de uma anomalia de mensurando se repete. A presença de qualquer anomalia de mensurando pode, portanto, ser rastreada até que nenhuma anomalia seja detectada. Nesse ponto, o método então vai da etapa 105 para o segundo estágio 200 (Figura 3). Alternativamente, o método pode ir diretamente da etapa 109 para o segundo

39 / 42 estágio 200.

[0087] O interrogador 30 pode ser configurado para determinar a presença de uma falha, por exemplo, resultante de uma fibra quebrada ou conector com defeito. Isso pode ser conseguido monitorando o espectro medido, por exemplo, na etapa 104, para detectar a presença de um nível elevado de retro-reflexão de banda larga, ou uma perda significante de sinal refletido comparado a um espectro armazenado anterior. O espectro armazenado anterior poderia ser espectro medido recém-obtido, por exemplo, da varredura operacional anterior. Alternativamente, em vez de um espectro armazenado, informação pré-armazenada a respeito de níveis de reflexão previstos pode ser usada para detectar a falha. Se uma falha for detectada, a fonte de luz 10 pode ser ajustada em um comprimento de onda fora dos comprimentos de onda de sensor e um ou mais pulsos de luz podem ser emitidos. Pelo cálculo do tempo de voo do sinal refletido como antes, a posição da falha pode ser identificada. Essa posição será reportada e armazenada em memória para ser posteriormente reparada durante manutenção. O rápido processamento de sinal no interrogador 30 permite que o aparelho reporte os resultados de varreduras e o estado do sistema a taxas de 10 a 100 Hz.

[0088] O segundo estágio 200 será agora descrito com referência ao fluxograma Figura 3. O método começa na etapa 201 em que o comprimento de onda da luz monocromática produzida em um laser regulável 10 é definido em um comprimento de onda em uma banda de comprimento de onda característica associada com o segundo conjunto 5 de sensores. Essa banda de comprimento de onda característica corresponde à faixa de comprimentos de onda na qual reflexões são previstas pelos sensores do segundo conjunto 5 na faixa operacional normal para o aparelho 10. Nenhuma reflexão de qualquer dos sensores 3 no primeiro conjunto é prevista nesses comprimentos de onda. A banda de comprimento de onda característica para o segundo conjunto 5

40 / 42 não se sobrepõe à do primeiro conjunto 4. A banda de comprimento de onda característica para o segundo conjunto 5 pode entretanto também ficar dentro da banda C anteriormente discutida.

[0089] Na etapa 202 o detector 20 é definido pelo interrogador 30 para monitorar apenas luz por uma janela de tempo fixa após um pulso ter sido emitido pela fonte de luz 10 que corresponde à luz que foi refletida pelo sensor mais próximo (isto é, primeiro) do segundo conjunto 5. O nível de ganho (isto é, amplificação de sinal) do detector 20 é também inicialmente definido em um nível que é associado com esse sensor, como é padrão para TDM. Na etapa 203, um primeiro trem de pulsos é emitido na guia de onda 2. O trem de pulsos compreende uma pluralidade de pulsos individuais em diferentes comprimentos de onda que ficam dentro da banda de comprimento de onda característica do segundo conjunto 5. O primeiro pulso tipicamente tem um comprimento de onda igual ao mínimo comprimento de onda da banda de comprimento de onda característica atribuída ao segundo conjunto

5. O comprimento de onda de cada pulso subsequente de luz monocromática no primeiro trem de pulsos é aumentado por 100 pm de maneira a cobrir a banda de comprimento de onda característica, atingindo o máximo comprimento de onda na banda característica em 50 pulsos. Em modalidades alternativas, a banda de comprimento de onda característica para o segundo conjunto 5 pode ser coberta em apenas 20 pulsos (com maiores intervalos de comprimento de onda entre cada pulso).

[0090] O espaçamento de comprimento de onda entre cada pulso é determinado pela resolução espectral necessária para calcular o comprimento de onda de sensor e assim varia de acordo com a técnica de processamento e a FWHM dos sensores 3. O mínimo espaçamento no tempo entre cada pulso emitido é determinado pela distância entre o interrogador 30 e o último sensor 3 do segundo conjunto 5 (medido ao longo da guia de onda 2). Em particular, é desejável que a reflexão do sensor mais distante 3 do segundo conjunto 5

41 / 42 retorne para o interrogador 30 antes da primeira reflexão do pulso seguinte. Por exemplo, para uma fibra óptica padrão tendo um sensor mais distante que está a 100 metros do interrogador 30, o máximo tempo de ida e volta para um pulso refletido é aproximadamente 1 microssegundo. Um atraso de pelo menos 1 microssegundo deve portanto ser usado entre cada sucessiva emissão de pulso.

[0091] A intensidade da luz refletida pelo primeiro sensor é monitorada na etapa 204 (de acordo com as definições de detector da etapa 202) tanto durante quanto após a emissão do pulso. As etapas 202 a 204 são então repetidas para cada um dos demais sensores no segundo conjunto 5 de forma que as leituras de sinal sejam feitas para cada sensor separadamente. Em uma modalidade alternativa, a etapa 202 pode ser evitada e a etapa 204 pode, então, ser implementada amostrando a luz refletida em rápida sucessão e identificando o sensor do qual cada reflexão é retornada de acordo com a ordem ou intensidade dos pulsos refletidos.

[0092] O método então vai para a etapa 205, ponto este em que um espectro é colocado em gráfico para dados adquiridos pelo detector 20 para cada ‘janela de tempo’ associada com um dado sensor 3. Um método de detecção de pico é então realizado na etapa 206 no espectro resultante para inferir o comprimento de onda de sensor de cada sensor 3 a partir da intensidade da luz refletida. O mensurando (tipicamente a temperatura) em cada sensor 3 do segundo conjunto 5 é então calculado pelo interrogador 30 na etapa 207 com base no respectivo comprimento de onda de sensor. Essa saída então será comunicada a um usuário por meio de um dispositivo externo (não mostrado).

[0093] Em uma modalidade adicional, um kit pode ser provido compreendendo uma fonte de luz e uma guia de onda como discutido em qualquer uma das modalidades anteriores em que sensores adjacentes de cada grupo são separados por uma distância menor que a metade da distância

42 / 42 percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso. Um kit como esse seria adequado para uso com as técnicas de detecção de ponto quente previamente discutidas e assim compartilhariam as vantagens correspondentes.

[0094] O uso dos primeiro e segundo conjuntos de sensores tanto para detectar anomalias de mensurando usando uma alta concentração de sensores quanto monitorar o próprio mensurando em outras localizações discretas, portanto, provê vantagens significantes em relação à técnica anterior. O aparelho pode consequentemente ser usado como um meio para extrair dados operacionais valiosos de um aparelho alvo. O aparelho pode ser flexível, leve e barato de instalar. Além disso, o uso de sensores ópticos torna o aparelho bem adequado para uma variedade de diferentes aplicações, como anteriormente discutido.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda óptica, caracterizado pelo fato de que compreende: uma guia de onda óptica; uma fonte de luz configurada para seletivamente emitir luz pulsada de banda estreita de um dado comprimento de onda e duração através da guia de onda óptica e adicionalmente configurada para modular o comprimento de onda da dita luz; um primeiro e um segundo conjuntos de sensores providos ao longo da guia de onda, em que cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos é configurado para refletir uma porção da luz que propaga ao longo da guia de onda em um respectivo comprimento de onda de sensor correspondente a um mensurando; em que o primeiro conjunto de sensores é configurado em um ou mais grupos de acordo com seus comprimentos de onda de sensor, cada grupo compreendendo uma pluralidade de sensores, em que o comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo é substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nesse grupo é igual; em que cada sensor adjacente do segundo conjunto é separado por uma distância ao longo da guia de onda maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, em que uma pluralidade de sensores do primeiro conjunto é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto; e em que os primeiro e segundo conjuntos são configurados de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no primeiro conjunto seja diferente do comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores no primeiro e segundo conjuntos é igual;

um detector configurado para monitorar a luz refletida pelos primeiro e segundo conjuntos de sensores; e um sistema de controle configurado para localizar uma anomalia de medição fazendo com que as seguintes etapas sejam realizadas: (i) transmitir luz ao longo da guia de onda óptica usando a fonte de luz; (ii) monitorar a luz refletida pelo primeiro conjunto de sensores de maneira a obter um espectro medido representando um mensurando experimentado por cada um dos sensores no primeiro conjunto; (iii) detectar um sinal anômalo no espectro medido, o sinal anômalo tendo um comprimento de onda característico e proveniente de um sensor anômalo do primeiro conjunto de sensores, o sensor anômalo experimentando a anomalia de mensurando; e (iv) localizar pelo menos o grupo compreendendo o sensor anômalo; em que o sistema de controle é adicionalmente configurado para monitorar um mensurando em uma pluralidade de posições ao longo da guia de onda óptica fazendo com que as seguintes etapas sejam realizadas: (v) emitir um trem de pulsos de luz de banda estreita ao longo da guia de onda óptica, o trem de pulsos compreendendo uma pluralidade de pulsos em diferentes respectivos comprimentos de onda de pico; (vi) monitorar a luz refletida pelo segundo conjunto de sensores ao longo da guia de onda; e (vii) estimar um mensurando para cada sensor no segundo conjunto com base na luz monitorada refletida pelo segundo conjunto.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa (iv) compreende localizar o sensor anômalo transmitindo um pulso de luz no comprimento de onda característico do sinal anômalo e monitorando o tempo de voo para o sinal refletido.

3. Aparelho de acordo com a reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo conjuntos são arranjados de maneira tal que dois sensores do primeiro conjunto sejam providos adjacentes a cada sensor do segundo conjunto.

4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os grupos são espacialmente separados uns dos outros si ao longo da guia de onda.

5. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o segundo conjunto de sensores é configurado de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto seja substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores no segundo conjunto é igual.

6. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada grupo de sensores no primeiro conjunto tem uma maior densidade espacial de sensores do que o segundo conjunto.

7. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada sensor adjacente de cada grupo no primeiro conjunto é separado por uma distância ao longo da guia de onda menor que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso.

8. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os sensores do primeiro conjunto são configurados de maneira tal que pelo menos uma porção da luz refletida pelos sensores de cada grupo substancialmente sobreponha em comprimento de onda de maneira a formar uma resposta de grupo para cada grupo tendo uma largura de pico ininterrupta no espectro medido, e em que o sinal anômalo não se sobrepõe a nenhuma das respostas de grupo em comprimento de onda.

9. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os sensores em cada conjunto têm respectivos comprimentos de onda de sensor que ficam dentro de uma banda de comprimento de onda característica para esse conjunto, em que as bandas de comprimento de onda características para os primeiro e segundo conjuntos não se sobrepõe.

10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a luz transmitida na etapa (i) tem um ou mais comprimentos de onda dentro da banda de comprimento de onda característica para o primeiro conjunto.

11. Aparelho de acordo com as reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que a luz transmitida na etapa (v) tem comprimentos de onda de pico dentro da banda de comprimento de onda característica para o segundo conjunto.

12. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é comutável entre um modo de banda larga para uso na etapa (i) e um modo de banda estreita para uso na etapa (v).

13. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de luz compreende um laser.

14. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é configurada para emitir luz pulsada de banda estreita na etapa (v) tendo uma largura de banda abaixo de 0,1 nm.

15. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é configurada para emitir luz pulsada monocromática na etapa (v) tendo uma largura de banda abaixo de 0,1 pm.

16. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz é seletivamente comutável entre um modo de onda contínuo e um modo pulsado.

17. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de luz compreende adicionalmente um obturador ou mecanismo de comutação configurado para controlar a duração de pulso da luz emitida.

18. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos é configurado de maneira tal que o comprimento de onda de sensor seja perturbado em resposta a uma mudança em um mensurando no sensor.

19. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada sensor dos primeiro e segundo conjuntos compreende grade de Bragg em fibras e em que o comprimento de onda de sensor de cada grade de Bragg em fibra é um comprimento de onda de Bragg.

20. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um receptor configurado para monitorar a intensidade da luz refletida ao longo da guia de onda pelos segundos conjuntos de sensores.

21. Aparelho de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o receptor é configurado para monitorar um ou mais mensurandos com base na intensidade da luz refletida.

22. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o mensurando é temperatura, tensão ou deformação.

23. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a separação entre cada sensor adjacente do segundo conjunto é entre 0,5 e 2,0 metros.

24. Método para monitorar um mensurando ao longo de uma guia de onda usando aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, o método caracterizado pelo fato de que compreende: realizar as etapas (i)-(iii) e prosseguir até a etapa (iv) se o sinal anômalo for detectado durante a etapa (iii); e realizar as etapas (v)-(vii) se o sinal anômalo não for detectado durante a etapa (iii).

25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) compreende determinar se o sinal anômalo corresponde a um mensurando dentro de uma faixa de mensurando predeterminada e prosseguir até a etapa (iv) somente se o mensurando estiver dentro da faixa de mensurando predeterminada.

26. Método de acordo com as reivindicações 24 ou 25, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) compreende determinar se o sinal anômalo ocorre dentro de uma faixa de comprimento de onda predeterminada e prosseguir até a etapa (iv) somente se o sinal anômalo ocorrer dentro da dita faixa de comprimento de onda predeterminada.

27. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 26, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) compreende determinar se a intensidade de um sinal anômalo excede um limiar de intensidade e prosseguir até a etapa (iv) somente se a intensidade exceder o limiar de intensidade.

28. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 27, caracterizado pelo fato de que a etapa (iii) compreende detectar o sinal anômalo usando uma técnica de análise espectral.

29. Método de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que a técnica de análise espectral compreende comparar o espectro medido com um espectro alvo de maneira a detectar o sinal anômalo no espectro medido correspondente a uma diferença entre o espectro medido e um espectro alvo.

30. Método de acordo com as reivindicações 28 ou 29, caracterizado pelo fato de que a técnica de análise espectral compreende analisar o formato do espectro medido sem referência a um limiar predeterminado tanto da intensidade de sinal óptico quanto do valor de mensurando.

31. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 28 a 30, caracterizado pelo fato de que a técnica de análise espectral compreende adicionalmente avaliar um parâmetro de excursão representando uma diferença entre o espectro medido e um espectro previsto e então comparar o parâmetro de excursão com um limiar.

32. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 31, caracterizado pelo fato de que a técnica de análise espectral compreende adicionalmente monitorar mudanças nos espectros medidos obtido em tempos diferentes.

33. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 32, caracterizado pelo fato de que a etapa (i) compreende transmitir luz em uma faixa de comprimento de onda contendo cada um dos comprimentos de onda de sensor para os sensores do primeiro conjunto.

34. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 33, caracterizado pelo fato de que a etapa (i) compreende transmitir luz de banda estreita em uma sequência em cada um dos comprimentos de onda de sensor para os sensores do primeiro conjunto.

35. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 34, caracterizado pelo fato de que a etapa (iv) compreende transmitir um pulso de luz de banda estreita no comprimento de onda característico

36. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 35, caracterizado pelo fato de que a etapa (i) compreende operar um laser em um modo de onda contínuo e em que a etapa (iv) compreende operar o mesmo laser em um modo pulsado.

37. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 24 a 36, caracterizado pelo fato de que a etapa (vi) compreende monitorar a intensidade da luz refletida ao longo da guia de onda, em que o mensurando é estimado na etapa (vii) com base na intensidade monitorada.

38. Sistema de sensor compreendendo um aparelho alvo e um aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 23, caracterizado pelo fato de que a guia de onda é arranjada para monitorar um mensurando em diferentes posições ao longo do aparelho alvo.

39. Sistema de sensor de acordo com a reivindicação 38, caracterizado pelo fato de que o aparelho alvo é um conduto configurado para transportar um fluido.

40. Sistema de sensor de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que a guia de onda é configurada para localizar um vazamento do dito fluido do conduto, o dito vazamento correspondendo à anomalia de mensurando.

41. Sistema de sensor de acordo com as reivindicações 39 ou 40, caracterizado pelo fato de que o conduto é um duto de ar de sangria de um avião.

42. Sistema de sensor de acordo com a reivindicação 38, caracterizado pelo fato de que o aparelho alvo é um aparelho elétrico.

43. Kit para monitorar um mensurando em uma pluralidade de localizações, o kit caracterizado pelo fato de que compreende uma guia de onda óptica e uma fonte de luz configurada para transmitir um pulso de luz ao longo da guia de onda em uma dada duração de pulso, a guia de onda óptica compreendendo: um primeiro e um segundo conjunto de sensores providos ao longo da guia de onda, em que cada sensor do primeiro e segundo conjuntos é configurado para refletir uma porção da luz que propaga ao longo da guia de onda em um respectivo comprimento de onda de sensor correspondente a um mensurando; em que o primeiro conjunto de sensores é configurado em um ou mais grupos de acordo com seus comprimentos de onda de sensor, cada grupo compreendendo uma pluralidade de sensores, em que o comprimento de onda de sensor para cada sensor em um respectivo grupo é substancialmente igual quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores nesse grupo é igual; em que cada sensor adjacente no segundo conjunto é separado por uma distância ao longo da guia de onda maior que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, em que sensores adjacentes de cada grupo são separados por uma distância menor que a metade da distância percorrida pela luz ao longo da guia de onda no tempo de duração de pulso, e em que uma pluralidade de sensores do primeiro conjunto é provida entre cada sensor adjacente do segundo conjunto; e em que os primeiro e segundo conjuntos são configurados de maneira tal que o comprimento de onda de sensor para cada sensor no primeiro conjunto seja diferente do comprimento de onda de sensor para cada sensor no segundo conjunto quando o mensurando experimentado por cada um dos sensores no primeiro e segundo conjuntos é igual.