BRPI0403268B1 - System for reading and data acquisition for fiber optical sensors - Google Patents
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Abstract
"sistema de leitura e aquisição de dados para sensores a fibra óptica". é descrito um sistema de leitura e aquisição de dados para sensores a fibra óptica contendo redes de bragg para o sensoriamento de parâmetros físicos oriundos de um conjunto de poços de petróleo, dito sistema compreendendo um sistema óptico (30) de processamento de sinais, ditos sinais sendo: i) provenientes de sensores (10a,10b) de parâmetros físicos instalados em um conjunto de poços e ii) resultantes do comprimento de onda refletido em resposta a uma perturbação do parâmetro físico medido; b) um sistema eletrônico (40) de processamento de sinais para converter os sinais de intensidade óptica provenientes do dito sistema óptico (30) através de detectores (36a, 36b, 36c, 36d) que otimizam a relação sinal/ruído para sinais elétricos que são digitalizados e convertidos segundo um algoritmo que utiliza as constantes das curvas de calibração de cada sensor para a determinação das grandezas físicas de pressão e temperatura; e c) um chaveador óptico (20) com uma interface entre a) e b), para ampliar o número de poços monitorados.
Description
SISTEMA DE LEITURA E AQUISIÇÃO DE DADOS PARA SENSORES A FIBRA
ÓPTICA
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um sistema de leitura e aquisição de dados para sensores a fibra óptica, mais especificamente interface para ieitura e aquisição de dados para sensores a fibra óptica de pressão e temperatura baseados em redes de Bragg (FBG) para aplicação em poços de petróleo. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO A partir de 1970 quando se desenvolveram as teiecomunicações ópticas baseadas em fibras com atenuação suficientemente baixa para permitir a propagação da luz a distâncias superiores a 1 km grandes progressos foram feitos no sentido de desenvolver em paralelo, técnicas de medição utilizando fibras ópticas para as mais variadas grandezas físicas, químicas e mesmo biológicas. Os principais motivos para tal são algumas características inerentes às fibras ópticas como, baixo peso, flexibilidade, longa distância de transmissão, baixa reatividade do material, isolamento elétrico e imunidade eletromagnética. Além destas existe, em muitos casos, a possibilidade de multiplexar os sinais de vários sensores, inclusive de grandezas diferentes, e até mesmo a possibilidade se realizar medidas continuamente distribuídas ao longo da fibra sensora.
Sensores a fibra óptica são, portanto, sensores ópticos que utilizam fibras como meio de conexão para a luz entre o mensurando e a região de leitura. Pode-se dividi-los entre extrínsecos e intrínsecos. Na primeira categoria estão aqueles em que a fibra serve simplesmente para guiar a luz e o efeito óptico a ser medido ocorre fora da fibra. No segundo caso a fibra serve também como meio onde ocorre o acoplamento entre o mensurando e a luz o que os torna mais interessantes do ponto de vista mecânico. Os sensores podem também ser divididos quanto ao tipo de efeito óptico a ser medido, podendo ser uma alteração na intensidade, na polarização, no espectro ou na fase da onda luminosa, A partir do início da década de 1990 um novo componente vem se tornando cada dia mais importante tanto para as telecomunicações como por suas aplicações na área de sensores. Este componente chamado de rede de Bragg ou grade de Bragg nada mais é que um filtro óptico reflexivo com altíssima seletividade espectral. Sua construção se baseia em gerar uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra, esta estrutura refletindo de forma eficiente o comprimento de onda λb que satisfaz a condição de Bragg em primeira ordem para incidência normal, ou seja, equação (1): (1) onde Λ é período espacial da modulação do índice eno índice de refração da fibra. A capacidade de sensoriamento de redes de Bragg está relacionada ao fato de que λb pode ser alterado por esforços mecânicos que modificam a periodicidade da estrutura, Λ, ou através de temperatura que modifica o índice de refração n. Estas dependências podem ser resumidas, de forma aproximada, na expressão da equação (2): (2) onde ΔΤ é medido em °C e ε é adimensional (m/m). As constantes numéricas são características do material que compõe a fibra e, em particular a constante térmica, pode apresentar variações entre fibras. O grande atrativo do uso das redes de Bragg para sensores está no fato de a informação estar contida nos espectro, o que significa ser uma medida absoluta e fácil de ser multiplexada.
Para os comprimentos de onda comumente utilizados (1300nm e 1550nm) a equação (2) implica que a medida de λb deve ser realizada com exatidão da ordem de 1 pm para obter uma exatidão de 1 ppm (1 pm/m) de deformação ou 0,1°C em temperatura. Existem diversas formas de alcançar este objetivo, como será descrito a seguir.
Diferentes procedimentos podem ser empregados para a medida de deformações ou variações de temperatura a partir das modificações induzidas no espectro óptico de reflexão de redes de Bragg. A escolha não é óbvia e depende fundamentalmente da aplicação a que se destina, devendo-se em cada caso considerar as bandas de frequência envolvidas, o número de sensores interrogados, sua distribuição espacial, a faixa dinâmica de deformações ou temperaturas a serem medidas, limitações de espaço e peso do sistema de medição e, é claro, o custo.
Algumas das técnicas mais utilizadas para leitura de sensores a rede de Bragg são aquelas que utilizam filtros de banda ajustável para a varredura do espectro óptico. Neste contexto enquadra-se a técnica mais simples, consistindo na leitura direta através de um Analisador de Espectro Óptico (OSA do inglês Optical Spectrum Analyzer), É possível obter uma resolução da ordem de 1 pm na leitura do espectro, o que corresponde a deformações próximas de 1 pm/m ou variações de temperatura de 0,1 °C. A faixa dinâmica na medida de deformações com OSAs comerciais é limitada de acordo com o número de sensores interrogados. Utilizando-se dois LEDs nos comprimentos de onda típicos de 1300 nm e 1550 nm, a relação entre a faixa dinâmica, Δε, e o número de sensores, N, pode ser estimada através da relação: (3) Assim, por exemplo, para a leitura de 100 sensores utiiizando-se um OSA comercial, a faixa dinâmica estimada para cada ponto de medida é da ordem de 1.000 pm/m. A principal vantagem no emprego de um OSA de uso geral é a simplicidade e rapidez na montagem do sistema de medidas. Deve-se considerar, no entanto, o custo elevado do equipamento e a lentidão com que a varredura do espectro óptico é realizada - tipicamente uma varredura por minuto numa faixa de 100 nm,- o que p.aticamente limita sua utilização a medidas estáticas. Desta forma esta técnica deve, em geral, ser considerada em situações onde as medidas não são permanentes de forma que o equipamento possa ser utilizado em outras aplicações. No caso de se desejar medir um grande número de sensores em uma mesma fibra, esta alternativa pode se tornar economicamente atraente.
Deve-se ainda ressaltar que estes equipamentos podem ser utilizados como um sistema de filtro fixo, semelhante ao que será discutido mais adiante. Esta forma de aplicação permite a obtenção de medidas dinâmicas (algumas centenas de Hz), mas certamente não deverá ser empregada de forma contínua devido ao alto custo do equipamento. Finalmente, uma característica muito interessante é a facilidade de calibração que pode ser feita, de forma contínua ou periódica, através da introdução de uma referência de comprimento de onda que pode ser uma célula de gás ou uma rede de Bragg em encapsulamento termicamente compensado.
Filtros de Fabry Perot, com banda espectral determinada por uma cavidade que pode ser dinamicamente alterada através, por exemplo, de atuadores piezoelétricos, são também utilizados para realizar varreduras espectrais. Em um circuito óptico que pode ser empregado em conjunto com um filtro de Fabry Perot de banda passante ajustável faz-se variar a banda passante de forma alternada através de rampas lineares, de tal maneira que cada um dos sensores interrogados é seqüencialmente iluminado. Resoluções próximas de 1 pm/m também podem ser obtidas através desta técnica. Esses filtros têm a varredura tipicamente limitada a cerca de 100 nm, com resposta em frequência que dificilmente ultrapassa algumas dezenas de Hz. Assim como no caso anterior, o custo desta técnica independe do número de sensores a serem interrogados, o que a torna mais competitiva à medida que a quantidade de pontos medidos aumenta.
Em sistemas com um número não muito grande de sensores, uma alternativa de menor custo emprega filtros espectrais fixos. Tais filtros podem ser do tipo Fabry Perot, interferômetro de Mach Zender, ou mesmo uma rede de Bragg como no caso da invenção. A Figura 1 anexa apresenta circuitos ópticos que utilizam esta técnica. O sistema emprega fontes de banda larga e o sinal refletido pela rede utilizada como sensor é dirigido, através de um acoplador de 3dB, para o filtro e para um detector de referência. O sinal óptico resultante da interação com o filtro é então guiado para o outro detector, e sua saída elétrica é dividida pela obtida a partir do detector de referência. A utilização de um sinal de referência tem por objetivo compensar flutuações na fonte óptica. Conforme detalhado mais adiante, verificou-se experimentalmente que a implementação proposta permite que o sinal de leitura se mantenha estável, com uma variação inferior a ±0,5% enquanto a potência entregue pelo LED é reduzida em até 30%. As topologías propostas para leitura de quatro sensores,' apresentadas na Figura 1 a seguir, podem ser facilmente ampliadas para até 16 sensores sem problemas técnicos aparentes. A utilização de duas fontes torna o sistema mais robusto. O custo da implementação das soluções propostas na Figura 1 é bastante pequeno para a leitura de apenas um sensor quando comparado com a aquisição dos equipamentos descritos anteriormente. Entretanto este custo cresce linearmente à medida que mais canais são adicionados ao sistema.
Além da modularidade, outra importante vantagem na utilização de filtros espectrais fixos é a possibilidade de aplicação em medidas dinâmicas. A faixa de freqüência é limitada pela resposta dos fotodetectores utilizados podendo, sem dificuldade, chegar a algumas centenas de kHz. A modelagem computacional da reflexão de um sinal óptico de banda larga peio sensor e depois pelo filtro, indica que as menores incertezas são obtidas utilizando-se duas redes (sensor e filtro} com espectros idênticos. A incerteza e resolução são ditadas pela resposta em frequência do fotodetector, sendo possível, a partir de simulações, estimar que para medidas numa banda de 10Hz, incertezas de ±0,1% numa faixa dinâmica de ±1.500 pm/m seriam obtidas.
Outra família de procedimentos com potencial para aplicação na leitura de sistemas que requerem a interrogação de vários sensores é aquela baseada em multiplexação temporal. Uma possibilidade nessa área consiste na utilização de um equipamento para Reflectometria no Domínio do Tempo (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer). As redes sensoras, que podem ser escritas num mesmo comprimento de onda e numa mesma fibra óptica, devem ter uma refletividade baixa, da ordem de 1%. Deve-se ressaltar, entretanto, que devido ao princípio de funcionamento do OTDR, a utilização desta técnica limita-se a medidas estáticas.
Dentre as técnicas mencionadas, sem dúvida o sistema de filtro fixo é o de mais baixo custo para pequeno número de sensores e é também o de resposta mais rápida, podendo alcançar vários kHz dependendo do circuito eletrônico. Assim, o sistema de aquisição de dados exposto a seguir no presente relatório utiliza um sistema de filtro fixo com redes de Bragg como filtros. A patente US 5.401.956 ensina um sistema de diagnóstico prático que funciona em cooperação com sensores remotos a fibra óptica contendo rede de para medir deformação estática, deformação dinâmica e/ou perturbações acústicas/vibratórias de itens ou estruturas. A patente US 5.426.297 ensina um sistema que permite que uma pluralidade de sensores a rede de Bragg em uma única fibra bem como em uma pluralidade de fibras, cada uma tendo uma pluralidade de redes de Bragg a serem detectadas, e que detecta cada um dos comprimentos de onda e deslocamentos dos mesmos refletidos pela rede de Bragg. A patente US 5.493.390 ensina um sistema que compreende uma fonte de luz, uma fibra óptica contendo uma rede de Bragg formando um sensor que reflete um comprimento de onda em resposta a uma perturbação; filtro opto-acústico ajustável integrado localizado na trajetória da luz emitida pelo dito sensor para filtrar a luz recebida do sensor, a banda passante do filtro sendo ajustável para se superpor ao comprimento de onda de reflexão do sensor em resposta a um sinal de controle do filtro, e para prover um sinal filtrado com potência relacionada à transmissão óptica; dispositivo de detecção óptica para detectar a potência do sinal filtrado e prover um sinal de detecção e dispositivo de processamento de sinal em resposta ao sinal de detecção para prover o sinal de controle de filtro, detectar um deslocamento no comprimento de onda de reflexão devido à perturbação, o dispositivo de processamento de sinal incluindo dispositivos para ajustar o sinal de controle de filtro para acompanhar deslocamentos estáticos no comprimento de onda de reflexão e deslocamentos dinâmicos no comprimento de onda do sensor, devido a deslocamentos estáticos e dinâmicos na perturbação, durante um certo período de tempo, e para prover sinais de saída indicativos dos deslocamentos estáticos e dinâmicos na perturbação.
Verifica-se, porém, que apesar das abordagens descritas, a técnica ainda necessita de um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica de pressão e temperatura baseados em redes de Bragg, o sistema compreendendo: /) um sistema óptico de processamento de sinais com uma fonte óptica que transmite um sinal através de um acoplador óptico, dito sinal sendo enviado para sensores a fibra óptica baseados em redes de Bragg (FBG), os sinais ópticos que retornam dos ditos sensores a fibra óptica passando por acopladores e divididos em saídas, produzindo sinais de referência que são enviados para detectores; ii) um sistema eletrônico de processamento de sinais; e iii) um chaveador óptico com uma interface, conectando os sensores a fibra óptica contendo redes de Bragg para medir parâmetros físicos como pressão e temperatura em um poço de petróleo e os sistemas óptico e eletrônico, tal sistema de leitura e aquisição de dados sendo descrito e reivindicado no presente pedido.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De um modo amplo, a presente invenção compreende um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica contendo redes de Bragg para o sensoriamento de parâmetros físicos oriundos de um conjunto de poços de petróleo, dito sistema compreendendo: .... a) um sistema óptico de processamento de sinais, ditos sinais sendo provenientes de sensores de parâmetros físicos instalados em um conjunto de poços e resultantes do comprimento de onda refletido em resposta a uma perturbação do parâmetro físico medido; b) um sistema eletrônico de processamento de sinais para converter os sinais de intensidade óptica provenientes do sistema óptico para sinais elétricos através de detectores que otimizam a relação sinai/ruído; c) um chaveador óptico com uma interface entre a) e b), para ampliar o número de poços monitorados.
Assim, a invenção provê um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica de pressão e temperatura baseados em redes de Bragg para aplicação em poços de petróleo. A invenção provê também um sistema de leitura e aquisição de dados em que menores incertezas são obtidas utilizando-se duas redes (sensor e atenuador) com espectros idênticos. A invenção provê ainda um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica tíe pressão e temperatura baseados em redes de Bragg constituído de um sistema óptico de processamento de sinais, um sistema eletrônico de processamento desses sinais e uma interface dotada de chaveador óptico entre o sistema óptico e o sistema eletrônico. A invenção provê também um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica de pressão e temperatura baseados em redes de Bragg que atende à demanda pela monitoração de pressão e temperatura em poços, para aquisição de dados dinâmicos.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIGURA t anexa ilustra circuitos ópticos do estado da técnica utilizando redes de Bragg como filtros de banda passante fixa. A FIGURA 1A mostra o canal de leitura e o circuito para um sensor. A FIGURA 1B ilustra um circuito para quatro sensores em fibras diferentes e a FIGURA 1C mostra o circuito para quatro sensores em uma mesma fibra. FIGURA 2 anexa é um esquema da arquitetura de dados e controle para poços de petróleo baseados em sensores a fibra óptica. A FIGURA 3 anexa é uma série de gráficos representando a convolução entre os sinais do sensor e os da referência. A FIGURA 4 anexa é um diagrama do circuito óptico da invenção. A FIGURA 5 anexa é um diagrama de blocos do sistema eletrônico. A FIGURA 6 anexa é um diagrama de blocos ilustrando as possíveis versões do módulo do chaveador óptico.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA A invenção refere-se, portanto, a um sistema de leitura e aquisição de dados de superfície para sensores a fibra óptica de pressão ejemperatura baseados em redes de Bragg a ser utilizado em poços de petróleo, o sistema sendo constituído de um sistema óptico de processamento de sinais, um sistema eletrônico de processamento desses sinais e um chaveador óptico com uma interface entre dito sistema óptico e dito sistema eletrônico. O sistema de aquisição de dados é adequado para uso em poços de petróleo. Deve ficar bem claro que a arquitetura proposta no decorrer do presente relatório para o sistema de aquisição é composta de módulos individuais que podem ser configurados em arquiteturas diferentes e que podem ser expandidas, dependendo do âmbito da aquisição e do número de sensores. A invenção será descrita a seguir com relação às Figuras anexas. A Figura 1 ilustra circuitos ópticos do estado da técnica utilizando redes de Bragg como filtros de banda passante fixa: A Figura 1A mostra o canal de leitura e o circuito para um sensor. A Figura 1B ilustra um circuito para. quatro sensores em fibras diferentes e a Figura 1C mostra o circuito para quatro sensores em uma mesma fibra. A Figura 2 é um esquema geral do sistema de aquisição de dados de superfície para poços de petróleo proposto na invenção. Assim, sensores (10a) e (10b).de pressão e temperatura à base de fibra óptica contendo rede de Bragg são inseridos em poços de petróleo. No módulo óptico (30) uma fonte óptica (31) conectada a um modulador (32) envia luz através de um acoplador (33a) e um chaveador óptico (20) até os sensores (10a) e (10b) de pressão e temperatura nos poços de petróleo. Os parâmetros medidos pelo sensor (10a) e pelo sensor (10b) são dirigidos para um módulo eletrônico (40), onde são processados e convertidos para sinais elétricos através de detectores que otimizam a relação sinal/ruído. A fim de obter as menores incertezas nas medições, devem ser utilizadas duas redes de Bragg, isto é, a rede do(s) sensor (es) e a rede do filtro com espectros idênticos. A Figura 3 é um gráfico para a convolução entre os sinais de um sensor (10a/10b) e da referência, ou seja, a comparação entre os sinais ópticos provenientes dos sensores de cada canal e de suas respectivas redes de referência. Assim, eventuais atenuações da fibra e variações da potência óptica emitida pela fonte óptica (31) são automaticamente compensadas através da razão entre o sinal recebido diretamente do sensor (10a/10b) e o sinal resultante da convolução entre os sinais. A Figura 4 ilustra o detalhamento do módulo óptico (30) utilizado na invenção. A fonte óptica (31) é baseada em um diodo super luminescente (SLED) com potência de 5mW que é modulada em amplitude por um sinal senoidal de 1KHz, e é transmitida num dos braços de um acoplador óptico (33a). O sinal óptico gerado pela fonte (31) é enviado para dois sensores (10a,10b) a fibra óptica baseados em FBG. Os sensores (10a, 10b) se destinam a medir a pressão e a temperatura de poços de petróleo e podem ser quaisquer sensores comerciais de pressão e temperatura a fibra óptica contendo redes de Bragg. O retorno do sinal óptico dos dois sensores (10a,10b) passa por um acoplador (33b) que divide o sinal por duas saídas, (Saída 1) e (Saída 2). 0 sinal óptico da primeira saída (Saídal) passa por outro acoplador (33c) que divide dito sinal em duas outras saídas: o de referência de potência do canal 1 (RefPotl) e o de referência do sensor do canal 1 (RefSensI). O sinal óptico da segunda saída (Saída 2) também passa por outro acoplador (33d), fazendo o processamento análogo ao da (Saída 1), ou seja, divide em outras duas saídas: o de referência de potência do canal 2 (RefPot2) e o de referência do sensor do canal 2 (Ref$ens2). O sinal de referência de potência do canal 1 (RefPotl) é enviado para um sensor detector (36a) através de um atenuador fixo de 10 dB (34a).
Analogamente, o sinal de referência de potência do canal 2 (RefPot2) é enviado para um sensor detector (36b) através de um atenuador fixo de 10 dB (34b). A correção da faixa dinâmica da razão de potência é dada pela utilização dos atenuadores (34a, 34b).
Os sensores detectores (36a até 36d) são baseados em tecnologia “PINFET". O sensor detector (36c) recebe o sinal proveniente da convolução entre o sinal refletido do sensor 1 (Sensl) e a referência fixa interna (35a) (RefSensI).
Analogamente, o sensor detector (36d) recebe o sinal proveniente da convolução entre o sinal refletido do sensor 2 (Sens2) e a referência fixa interna (35b) (RefSens2).
As redes de referência interna (35a, 35b) são mantidas a uma temperatura constante através do uso de um controlador de temperatura termo-elétrico (não representado).
De modo resumido, para o cálculo dos parâmetros medidos pelo sensor 1 (10a), é avaliada a razão entre a intensidade óptica do sinal do sensor detector (36c) (convoluçãol) e a do sensor detector (36a) (referência de potência do canal 1-RefPotl).
Analogamente, para o cálculo dos parâmetros medidos pelo sensor 2, (10b) é avaliada a razão entre a intensidade óptica do sinal do sensor detector (36d) (convolução2) e a do sensor detector (36b) (referência de potência do canal 2 - RefPot2). A Figura 5 detalha o módulo (40) para o processamento eletrônico de sinais.
No módulo (40), os sinais de intensidade óptica são convertidos para sinais elétricos através de detectores (41a, 41b, 41c, 41 d) que otimizam a relação sinal/ruído. Esses detectores também são do tipo PINFET.
Com o intuito de tornar os circuitos de detecção imunes às tensões de “offset” dos circuitos eletrônicos de entrada, obter uma estabilidade térmica do sistema de medição e tornar possível a medição de baixíssimas potências com exatidão, é utilizada a modulação em amplitude por um sinal senoidal de 1 KHz na fonte óptica (31) e respectiva demodulação nos circuitos detectores (41a, 41b, 41c, 41d).
Os sinais elétricos resultantes dos detectores (41a, 41b, 41c, 41d) são condicionados e filtrados com auxílio de filtros passa baixa (LPF) (42a, 42b, 42c, 42d). Em seguida, os sinais são convertidos para a forma digital por um conversor analógico-digital (A/D), a uma taxa de 64 kbits/s, para serem processados por um processador digital de sinais (DSP) (43). O DSP (43) permite o cálculo da razão entre os dois sinais de potência já convertidos de analógico para digital de cada sensor (10a,10b) e a detecção síncrona dos dois sinais resultantes da razão (picos de intensidade) através do cálculo de uma transformada rápida de Fourier (FFT) com a janela Hanning. A fim de melhorar a faixa dinâmica pela necessidade de uma fonte de luz mais potente e estável recomenda-se utilizar um diodo super luminesccnte (SLED) (31) com estabilização de temperatura, através do uso de um Estabilizador Termo-Elétrico (TEC - Thermo Electric Cooler - Peltier). (44). O mesmo efeito de estabilização da temperatura é produzido nos filtros fixos de referência interna (F1 e F2) através do uso do TEC. Com o controle de temperatura é garantida a repetibilidade das medidas. A interface PXl/cPCI (45) tem a finalidade de converter os dados das medidas de intensidade óptica correlatas com as variações das grandezas físicas, digitalizados pelo conversor digital Analógico (ADC) do Processador de Sinal Digital (DSP) para a CPU via barramento padrão industrial PXI para posterior processamento. A CPU (46) permite o processamento dos sinais de intensidade ópticos coletados dos sensores (sinais elétricos de referência, e fonte de luz convertidos e digitalizados ) com os dados das curvas de calibração específicas de cada sensor (10a,10b) transformando esta correlação em grandezas físicas de pressão e temperatura, e o controle do status de funcionamento do equipamento e a comunicação com o dispositivo externo (controlador ou sistema supervisório). A Figura 6 detalha as versões do módulo (20) do chaveador óptico; multiplexadas em 1:2 (21), 1:4 (22) e (23) sem chaveador. As chaves ópticas externas são controladas pela CPU (46) do sistema e permitem a ampliação do número de poços monitorados, neste caso até quatro poços simultaneamente, desde que as redes de todos os sensores tenham o mesmo comprimento de onda e forma (casados com os filtros de referência) das referências internas (filtros FBG de referência do equipamento).
As opções de multiplexação das chaves ópticas têm pelo menos dez milhões de ciclos de vida útil e são controladas externamente por um sinal serial.
Vale ressaltar que todos os circuitos (detectores e fontes de luz) são montados em uma única placa de circuito impresso a fim de atender à necessidade de compactação. A finalidade do sistema de leitura e aquisição de dados da invenção é ser utilizado em ambiente industrial (superfície dos poços), de forma a garantir as características principais do sistema: robustez, compactação e imunidade a ruído EMI/RFI.
Como parte do sistema, destaca-se o software elaborado no qual são incluídos os processamentos de sinal (FFT com a janela Hanning) no DSP (43), as curvas de calibração, o status e o gerenciamento do funcionamento do sistema na CPU (46). O funcionamento do sistema proposto se baseia na medição relativa de potência óptica, pois é processada a razão entre os sinais provenientes de cada elemento sensor óptico e seu respectivo cana! de referência. O emprego de técnicas de modulação da fonte óptica e a respectiva demodulação nos circuitos detectores permite que sejam alcançados reduzidos níveis de “off-set”, fator importante para obtenção da estabilidade de longo prazo do sistema de medição. A utilização de canais de referência nos circuitos receptores permite que sejam compensadas automaticamente eventuais atenuações da fibra que contém os sensores, bem como variações da potência óptica emitida. O diferencial de implementação da técnica de filtro fixo com referência de potência óptica é a modulação de amplitude da fonte óptica com detecção síncrona dos sinais resultantes por Transformada Rápida de Fourier, ou seja, a forma de medição das grandezas físicas dos sensores de pressão e temperatura (P&T) ópticos é efetuada pela correlação indireta da variação de comprimento de onda em variação de intensidade recebida de cada rede (sensor). O método de leitura e processamento do retomo (luz) é efetuado por meio do processamento básico dos seguintes parâmetros: medida da intensidade da fonte, medida das referências internas resultantes de cada filtro FBG de superfície, e a correlação do sinal óptico recebido do sensor (filtro FBG) e a sua grade de referência na superfície (relação entre o sinal recebido de uma grade sem variação de deformação e temperatura, com uma grade/sensor com variação de temperatura e deformação). A fonte óptica é modulada em amplitude, e a detecção do sinal de resposta elétrico é feita por processamento, utilizando FFT (Transformada Rápida de Fourier). O presente sistema apresenta as seguintes vantagens: - compreende circuitos (detectores e fontes de luz) montados em uma única placa de circuito impresso a fim de atender à necessidade de compactação; - uma fonte de luz mais potente e estável é empregada, com a finalidade dc melhorar a faixa dinâmica utilizando um SLED com estabilização de temperatura;. - o uso de detectores PINFET admite a não susceptibilidade às interferências; - os filtros ópticos com controle de temperatura permitem assegurar a repetibilídade do circuito; - o DSP (43) e a CPU (46) permitem o processamento, leitura, armazenamento e comunicação com o controlador externo e o supervisório; eventuais atenuações da fibra e variações da potência óptica emitida são automaticamente compensadas; - o sistema fornece sinais analógicos compatíveis com a placa A/D à qual está acoplado; - é possível efetuar a medição de baixas potências ópticas com exatidão; - é efetuada blindagem do sistema para que não haja interferências EMI/RFI.
REIVINDICAÇÕES
Claims (15)
1. Sistema de leitura e aquisição de dados para sensores a fibra óptica contendo redes de Bragg, divisores/acopladores direcionais de luz, fonte de luz e detectores óticos, para o sensoriamento de grandezas físicas como temperatura, pressão e deformação de óleo e gás oriundas de um poço ou conjunto de poços de petróleo, dito sistema sendo caracterizado por: a. um sistema óptico (30) de processamento de sinais, ditos sinais sendo: i) provenientes de sensores (10a, 10b) de parâmetros físicos instalados em um poço ou conjunto de poços e ií) resultantes do comprimento de onda refletido em resposta a uma perturbação da grandeza física medida; b. um sistema eletrônico (40) de processamento de sinais para converter os sinais de intensidade óptica provenientes do dito sistema óptico (30) para sinais elétricos através de detectores (36a, 36b, 36c, 36d) que otimizam a relação sinal/ruído; c. um chaveador óptico (20) com uma interface entre a) e b), para ampliar o número de poços monitorados. d. o sistema óptico (30), uma fonte óptica (31) conectada a um modulador (32) envia luz através de um acoplador (33a) e um chaveador óptico'(20) até os sensores (1 Oa) e (1 Ob) nos poços de petróleo, os parâmetros medidos pelo sensor (1 Oa) e pelo sensor (1 Ob) sendo dirigidos para um módulo eletrônico (40), onde são processados e convertidos para sinais elétricos através de detectores (36a, 36b, 36c, 36d) que otimizam a relação sinal/ruído. e. transmitir o sinal óptico gerado pela fonte (31) para um dos braços de um acoplador óptico (33a) e enviar dito sinal para os sensores (1 Oa, 1 Ob ), o retorno do sinal óptico dos dois sensores (1 Oa, 1 Ob) passando por um acoplado r (33b) que divide o sinal por duas saídas, (Saída 1) e (Salda 2); f. fazer passar o sinal óptico da primeira saída (Saídal) por outro acoplador (33c), dito sinal sendo dividido em duas outras saídas em sinal de referência de potência do canal 1 (RefPotl) e sinal de referência do sensor do canal 1 (RefSensl ); g, de modo análogo a f), fazer passar também o sinal óptico da segunda saída (Saída 2) por outro acoplador (33d), e dividindo dito sinal sendo dividido em outras duas saídas em sinal de referência de potência do canal 2 (RefPot2) e sinal de referência do sensor do canal 2 (RefSens2); h, enviar o sinal de referência de potência do canal 1 (RefPotl) para um detector (36a) através de um atenuador fixo (34a) de 1 O dB; e. enviar de modo análogo a h), o sinal de referência de potência do canal 2 (RefPot2) para um detector (36b) através de um atenuador fixo (34b) de 10 dB; i, fazer o detector (36c) receber o sinal proveniente da convolução entre o sinal refletido do sensor 1 (Sensl) e a referência fixa interna (35a) (RefSensI ); j, fazer de modo análogo a i) 0 detector (36d) receber o sinal proveniente da convolução entre o sinal refletido do sensor 2 (Sens2) e a referência fixa interna (35b) (RefSens2).
2, Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que os sinais resultantes do comprimento de onda refletida são respostas da medição de pressão e temperatura.
3, Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que as redes do sensor (10a/10b) e atenuador fixo (34a/34b) devem apresentar espectros idênticos.
4. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que os sensores (10a, 10b) são quaisquer sensores comerciais que utilizem tecnologia de redes de Bragg desde que as redes de referência, e a rede dos sensores possuam o mesmo espectro,
5. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por que a fonte óptica (31) é baseada em um diodo super luminescente (SLED) com 5 potência de 5mW modulada em amplitude por um sinal senoidal de 1KHz.
6. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que as redes de referência interna (35a, 35b) são mantidas a temperatura constante através do uso de um controlador de temperatura termo-elétrico.
7, Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que para o cálculo dos parâmetros medidos pelo sensor 1 {10a), é avaliada a razão entre a intensidade óptica do sinal do detector (36c) (convoluçãol) e a do detector (36a) (referência de potência do canal 1 - RefPoti).
8. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que para o cálculo dos parâmetros medidos pelo sensor 2, (10b) é avaliada a razão entre a intensidade óptica do sinal do detector (36d) (convolução2) e a do detector (36b) (referência de potência do canal 2- RefPot2).
9. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a correção da faixa dinâmica da razão de potência é dada pela utilização dos ate nu adores {34a, 34b).
10. Sistema de acordo com a reivindicação t, caracterizado por que no módulo (40), os sinais de intensidade óptica são convertidos para sinais elétricos através de detectores (41a, 41b, 41c, 41 d) que otimizam a relação sinal/ruído,
11. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por utilizar a 20 modulação em amplitude por um sinal senoidal de 1 KHz na fonte óptica (31) e respectiva demodulação nos circuitos detectores (41 a,41 b, 41 c, 41 d),
12. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por que os sinais elétricos resultantes dos detectores (41a, 41b, 41c, 41 d) são condicionados e filtrados com auxilio de filtros passa baixa (LPF) (42a, 42b, 42c, 42d) e em seguida convertidos para a forma digital por um conversor analógicodigital (AIO), a uma taxa de 64 kbits/s, para serem processados por um processador digital de sinais (DSP) (43).
13. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o módulo (20) do chaveador óptico compreende multiplexação (21) para dois sensores.
14. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o módulo (20) do chaveador óptico compreende multiplexação (22) para quatro sensores
15. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o módulo (20) do chaveador óptico é isento de multiplexação (23).
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B09X | Republication of the decision to grant [chapter 9.1.3 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] | ||
| B22L | Other matters related to patents and certificates of addition of invention: notification of licence offer (art 64 par 1 of lpi) |
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