BRPI0606051B1 - sensor óptico de temperatura e pressão - Google Patents

Abstract

sensor óptico de temperatura e pressão e uso do mesmo é descrito um sensor óptico (100) de pressão e temperatura para ser fixado em uma estrutura portadora, onde dito sensor compreende conectores ópticos (51, 51<39>) fixados em alojamentos (21, 21<39>) usinados em pinos (11d, 11d<39>) integrais aos ditos corpos cilíndricos (11c, 11c') e dotados de roscas (20, 20<39>); corpo (11a) propriamente dito do sensor, de formato geralmente retangular, com arestas (12) arredondadas e superfícies (13), (18) e (22), dito corpo (11a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do como cilíndrico(11c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), e onde dito corpo (11a) tem: b1) um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da membrana (17), no dito rebaixo (13a) sendo alojados: um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; e b2) um segundo rebaixo (18a) na superfície (18) oposta à dita superfície (13), dito rebaixo definindo a espessura da dita membrana (17); e uma fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de bragg (16a, 16b) fixadas sobre a dita membrana (17), a dita fibra (15) sendo integralmente contida no interior do dito sensor entre os conectores ópticos (51, 51<39>) através de canais (15a, 15a<39>) e um dispositivo de conexão flexível (23), pelo que é garantida a ausência de efeito de offset de pressão e temperatura na medição efetuada. um sensor óptico (200) alternativo é igualmente descrito, bem como os usos dos mesmos.

Description

SENSOR ÓPTICO DE TEMPERATURA E PRESSÃO CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção pertence ao campo dos sensores ópticos de pressão e temperatura, mais especificamente a um sensor óptico de pressão e temperatura isento do fenômeno de offset nas medições de pressão e temperatura, dito sensor sendo aplicável a poços de óleo e gás, engenharia e cotidiano.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Na produção de petróleo, os poços em produção devem ser monitorados em relação a pressão e temperatura. As pressões hidrostáticas no poço podem atingir 1000 bar, e as temperaturas podem superar 200°C. Sensores elétricos como, por exemplo, resistores piezoelétricos, elementos piezoelétricos, sondas capacitivas, ou cristais vibrantes são usados freqüentemente em medida de pressão até aproximadamente 170°C. É igualmente conhecido usar sensores de pressão ópticos que se distinguem por sua boa capacidade de temperatura, resistência à corrosão e insensibilidade a interferência eletromagnética. Um sensor de pressão e temperatura é instalado em uma estrutura portadora e uma fonte de luz em um módulo óptico é usada para alimentar sinais ópticos para o sensor de pressão através da fibra óptica. O sinal indicativo da pressão na locação da medição fornecido pelo sensor de pressão é dirigido de volta para o módulo óptico para processamento. Para a medição de pressão em locações múltiplas no interior do poço, múltiplos sensores de pressão podem ser multiplexados em série para medição de pressão distribuída usando técnicas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e/ou multiplexação por divisão de tempo (TDM).

Os sensores a fibra óptica empregam o fato de que os efeitos do ambiente podem alterar a amplitude, fase, frequência, teor espectral ou polarização da luz propagada através de uma fibra óptica. As vantagens principais dos sensores a fibra óptica incluem sua capacidade de serem de baixo peso, muito pequenos, passivos, eficientes energeticamente, e imunes a interferência eletromagnética. Além disso, os sensores a fibra óptica tem potencial para sensibilidade elevada, ampla faixa dinâmica, e ampla largura de banda.

Dentre as tecnologias utilizadas para medição, as redes de Bragg (FBG) é a de maior potencial para utilização em sistemas multifuncionais e quase distribuídos de sensores para aplicações de monitoração permanente de poços e reservatórios. O conceito que forma a base do FBG é que ao se construir/projetar uma rede localizada em uma determinada região da fibra, tipicamente de 1 a 10 mm de comprimento, segundo um comprimento de onda pré-definido, um determinado comprimento de onda da luz incidente é afetado (filtro FBG). O resultado das perturbações do meio provoca uma variação no valor absoluto do comprimento de onda que possui uma relação direta com as grandezas físicas que originaram essa variação. A característica principal do sensor óptico é o fato de ser totalmente passivo, ou seja, não necessita eletrônica embarcada para a transdução da grandeza medida, necessitando apenas de um elemento mecânico acoplado ao elemento FBG que é a própria fibra.

Em uma fibra, o diâmetro do núcleo (parte central da mesma) determina se a fibra óptica é monomodo ou multimodo. Os termos monomodo e multímodo referem-se à orientação dimensional dos raios que se propagam através da fibra. As fibras monomodo têm um núcleo com diâmetro relativamente pequeno (2-12 microns) e suportam um único modo de propagação, axial. Fibras multimodo têm um núcleo de diâmetro relativamente grande (25-75 microns) e permitem raios ou modos não axiais de propagação através do núcleo da fibra. Na verdade, as fibras assim chamadas monomodo na verdade são fibras de dois modos no sentido de que há dois diferentes estados de polarização óptica que podem ser propagados através do núcleo. Em uma fibra ideal, reta, e isenta de imperfeições com simetria perfeitamente circular, a velocidade de propagação da luz é independente da direção de polarização.

Sensores para a medida de vários parâmetros físicos como pressão e temperatura muitas vezes se baseiam na transmissão de deformação a partir de uma estrutura elástica como um diafragma ou um fole até um elemento sensor. Em um sensor de pressão, o elemento sensor pode estar fixado à estrutura elástica por meio de um adesivo adequado. É conhecido que a fixação do elemento sensor na estrutura elástica pode ser uma fonte de muitos erros se a fixação não é altamente estável. No caso dos sensores, que medem parâmetros estáticos ou que variam muito lentamente, a estabilidade de longo prazo da fixação à estrutura é extremamente importante. Uma fonte principal desta instabilidade do sensor de longo prazo é um fenômeno conhecido como “creep", isto é, a variação em deformação do elemento sensor sem variação da carga aplicada sobre a estrutura elástica, o que resulta em deslocamento DC ou erro por desvio no sinal do sensor.

Um exemplo de sensor de fibra óptica é aquele descrito na patente US 6.016.702 para a medição de pressão com compensação de temperatura para um ponto onde uma fibra óptica é fixada a um fole compressível em uma locação ao longo da fibra e a uma estrutura rígida em uma segunda locação ao longo da fibra, com uma rede de Bragg impressa na fibra entre essas duas locações de fixação da fibra e com a rede estando sob tensão. À medida que o fole é comprimido devido a uma variação na pressão externa, a tensão na rede de fibra é reduzida, o que varia o comprimento de onda da luz refletida pela rede. No entanto, a compensação para temperatura deve ser feita isolando a rede para temperatura em uma câmara isolada de pressão, o que adiciona custos ao equipamento. O sensor proposto pode ser usado em monoponto ou em multiponto, em série ao longo de uma única fibra óptica. Na montagem dos sensores em série, a fibra óptica passa através de uma passagem na extremidade de uma estrutura em fole para interconexão ao próximo sensor de pressão. Os vários sinais de pressão e temperatura dos diferentes sensores podem ser diferenciados uns dos outros usando técnicas de WDM {Wavelength Division Multiplexing). Assim, cada rede de Bragg opera a um comprimento de onda central λ no interior de uma amplitude de onda ω que não se sobrepõe à amplitude dos outros sensores a rede de Bragg. Portanto, os sinais de temperatura e pressão de cada um dos sensores em série podem ser facilmente diferenciados uns dos outros com base no comprimento de onda recebido. Também técnicas de TDM (Time Division Multiplexing) podem ser usadas para diferenciar entre sinais de diferentes sensores a rede de Bragg. No entanto, o sensor dessa patente norte-americana não descreve nem sugere o sensor óptico de pressão e temperatura proposto na presente invenção, utilizando pelo menos duas redes de Bragg em uma mesma fibra óptica. O pedido brasileiro publicado PI n° 0403240-3 descreve um transdutor óptico para a medida simultânea de pressão e temperatura em poços de óleo e gás, dito transdutor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcieo de uma fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, dito transdutor compreendendo um corpo, predominantemente cilíndrico, incluindo uma membrana elástica para fixar pelo menos uma rede de Bragg, e pelo menos mais uma rede de Bragg impressa sobre a mesma fibra óptica, e onde dito corpo é: a) vazado ao longo do eixo principal para permitir passagem de uma fibra óptica e garantir acesso a ambas as extremidades da dita fibra óptica; b) dotado de dois planos de simetria para facilitar a instalação e conexão em série com outros sensores do mesmo tipo ou outros transdutores e sensores a fibra óptica; c) dotado de acesso central e respectiva vedação, perpendicular ao eixo principal do dito corpo, no lado oposto à dita membrana, para permitir processo de fixação de pelo menos uma rede de Bragg à membrana; e d) dotado de meios de vedação contra a pressão externa, na entrada e na saída da fibra óptica e no furo cilíndrico central, pelo que: a membrana elástica transmite a deformação proporcional às condições de pressão e temperatura às quais está submetido o transdutor a pelo menos uma rede de Bragg, a parcela de luz não refletida pelas redes de Bragg seguindo pelo restante da fibra óptica, podendo ser utilizada para interrogar outros sensores e transdutores conectados ao longo da mesma fibra óptica ou em uma ou mais fibras ópticas acopladas a essa.

Uma desvantagem do dito transdutor óptico é que ao ser fixado no mandril ou qualquer outra estrutura portadora do dito sensor, este se torna solidário a dita estrutura portadora, e consequentemente, a medição de P e T efetuada pelo dito sensor será afetada por qualquer deformação do conjunto estrutura portadora e coluna de produção, por exemplo, causando o fenômeno de offset. Por offset entende-se um desvio na leitura do valor de pressão e temperatura absolutas.

Além disso, quando a montagem do sensor é completada o comprimento do equipamento se torna bastante grande, o que colabora para no caso de haver flexão do conjunto coluna-mandril, ocorrer o fenômeno de offset.

Contra ria mente ao PI 0403240-3, a forma de fixação do sensor objeto do presente pedido na estrutura portadora permite que o dito sensor seja isento do fenômeno de offset, já que a geometria do sensor é tal que, ao ser fixado na estrutura portadora, o corpo do sensor e a estrutura portadora não têm contato físico já que o sensor propriamente dito encontra-se em balanço. Vantajosamente, a distância existente entre sensor e estrutura portadora evita qualquer desvio nas medições de P e T.

Outras diferenças dizem respeito à maneira de montar o sensor, que no caso do sensor objeto do PI 0403240-3 exige uma emenda óptica e o uso de duas peças metálicas para estar completo. Já no presente pedido, tanto a emenda óptica como as peças metálicas são totalmente dispensáveis. A patente US 6.726.215B1 descreve um sensor para medir deformação isento de membrana, onde a fibra óptica é presa em um alojamento e onde as redes de Bragg estão livres na estrutura. O sensor descrito não se destina a medir pressão e sim a deformação em estruturas como pontes, plataformas, cabos, tubulações flexíveis, barragens e similares. Para medir deformação, o sensor descrito sofre deformação juntamente com a deformação da estrutura em medição. Pelo princípio da presente invenção, o corpo do sensor é inalterado pela variação de pressão, somente a membrana sofrendo deformação por variação de pressão. A referência norte-americana mede deformação pela deformação da estrutura enquanto o presente pedido mede deformação em uma membrana pela ação de uma pressão. Na patente US 6.726.215B1 a rede de Bragg (121) que mede deformação está livre, isto é, não está fixada a nenhum suporte ou estrutura enquanto no presente pedido as redes de Bragg estão fixadas na superfície da membrana do sensor. Se não estivessem fixadas, as redes de Bragg não seriam capazes de efetuar as medições de pressão desejadas. A patente US 6.898.339B2 trata de um sensor de pressão e temperatura pré-carregado que pode ser usado em modo múltiplo. O sensor é composto de uma estrutura geralmente cilíndrica, dois elementos de compressão, uma fibra óptica tendo uma rede de Bragg e uma tampa. Um diafragma ou membrana é integra] a dita tampa de modo a definir uma câmara de pressão. A fibra óptica contendo a rede de Bragg é posicionada no meio dos elementos de compressão -não há indicação se a rede é fixada ou apoiada nos elementos de compressão.

Para o funcionamento do referido sensor é necessário dispor de pelo menos um elemento de compressão adjacente à fibra óptica, e a membrana que vai localizada na tampa do dito sensor. A medição propriamente dita acontece quando a membrana comprime o elemento de compressão, consequentemente, tudo indica que a fibra também é comprimida sofrendo uma força lateral. O sensor torna-se propriamente um sensor quando as três partes - tampa contendo o diafragma ou membrana, pelo menos um elemento de compressão, e o alojamento geralmente circular - são devidamente unidas por parafusos. Na ausência de qualquer das ditas três peças o sensor não funciona. Assim, em presença de apenas a tampa contendo o diafragma, a fibra óptica e o alojamento não é possível efetuar medição já que o pelo menos um elemento de compressão está ausente. Deste modo, verifica-se que conforme o conceito da configuração de sensor descrito nesta publicação norte-americana, apenas um diafragma ou membrana formando uma câmara de pressão e uma fibra óptica não constituem elementos suficientes para efetuar medições de pressão. O sensor do presente pedido, ao contrário, é constituído de uma única peça, sendo que a membrana é parte desta peça única. Não há necessidade de nenhum elemento de compressão já que as redes de Bragg são fixadas diretamente em uma das superfícies da membrana.

Apesar dos desenvolvimentos da técnica, há ainda necessidade de um sensor óptico de pressão e temperatura, o sensor tendo um furo axial para passagem de uma fibra óptica sobre a qual são gravadas pelo menos duas redes , de Bragg, a fibra óptica tendo seu início na ponta do conector óptico de entrada e o seu término na ponta do conector óptico de saída, o corpo do sensor sendo dotado ainda de dois rebaixos formando uma membrana, as ditas redes de Bragg sendo fixadas sobre uma das superfícies da mesma, sendo usado um único sensor ou vários sensores conectados em série, tal sensor óptico de pressão e temperatura sendo descrito e reivindicado no presente pedido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De um modo amplo, o sensor óptico da invenção para medida de pressão e temperatura a ser fixado em uma estrutura portadora, dito sensor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo de uma fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, e incluindo um corpo contendo uma membrana para fixar pelo menos duas redes de Bragg, e onde dito sensor compreende: a) conectores ópticos (51, 51') fixados em alojamentos (21, 21') usinados em pinos (11 d, 11d') integrais aos ditos corpos cilíndricos (11c, 11c') e dotados de roscas (20, 20'); b) corpo (11a) propriamente dito do sensor, de formato geralmente retangular, com arestas (12) arredondadas e superfícies (13), (18) e (22), dito corpo (11a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do corpo cilíndrico (11c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), e onde dito corpo (11a) tem: b1) um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da membrana (17), no dito rebaixo (13a) sendo alojados: um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; e b2) um segundo rebaixo (18a) na superfície (18) oposta à dita superfície (13), dito rebaixo definindo a espessura da dita membrana (17); e c) Uma fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a, 16b) fixadas sobre a dita membrana (17), a dita fibra (15) sendo integralmente contida no interior do dito sensor entre os conectores ópticos (51, 51’) através de canais axiais (15a, 15a’) e um dispositivo de conexão flexível (23), pelo que é garantida a ausência de efeito de offset de pressão e temperatura na medição efetuada.

Assim, a invenção provê um sensor óptico para medida de pressão e temperatura, isento de desvios na medição dos valores de pressão e temperatura pelo efeito de offset. A invenção provê também um sensor óptico para medida de pressão e temperatura de geometria compacta, incluindo o conector óptico. A invenção provê também um sensor óptico para medida de pressão e temperatura onde a fibra óptica contendo as redes de Bragg está inteiramente contida nos limites do sensor, tornando o mesmo do tipo self-contained. A invenção provê também um sensor óptico para medida de pressão e temperatura onde a fibra óptica contendo as redes de Bragg se encontra totalmente confinada no interior do dito sensor, o que garante a integridade da fibra óptica e conseqüentemente das redes de Bragg contra agentes reativos ou degradantes presentes no meio hostil como é o meio do petróleo e gás. A invenção provê também um sensor óptico para medida de pressão e temperatura que encontra aplicação em poços de óieo e gás injetores ou produtores, além de outras aplicações em engenharia, e no cotidiano.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A FIGURA 1 anexa é uma vista tridimensional explodida de uma modalidade do sensor da invenção na configuração multiplexada. A FIGURA 2A anexa é uma vista em corte da mesma configuração do sensor da Figura 1. A FIGURA 2B é um corte do bujão. A FIGURA 3 anexa é uma vista tridimensional explodida de uma outra modalidade do sensor da invenção na configuração de um só sensor ou sensor terminal de uma série de sensores. A FIGURA 4 anexa é uma vista em corte da mesma configuração do sensor da Figura 3. A FIGURA 5A anexa apresenta a resposta de uma modalidade do sensor da Figura 1, contendo duas redes de Bragg, quando submetido a variações de temperatura a uma pressão constante. A FIGURA 5B anexa mostra a resposta de uma modalidade do sensor da Figura 1, contendo duas redes de Bragg, quando submetido a variações de pressão a diferentes temperaturas (T1, T2, T3, T4).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O sensor óptico da invenção compreende, pois, um corpo com um furo axial para passagem de uma fibra óptica sobre a qual são gravadas pelo menos duas redes de Bragg, a fibra óptica tendo seu início na ponta do conector óptico de entrada e o seu término na ponta do conector óptico de saída, o corpo do sensor sendo dotado ainda de dois rebaixos formando uma membrana onde serão fixadas as redes, sendo usado um único sensor ou vários sensores conectados em série.

Uma primeira modalidade do sensor da invenção diz respeito a um sensor multiplexado onde um corpo cilíndrico serve de suporte a ser fixado na estrutura portadora, e, solidário ao dito corpo cilíndrico, 0 corpo do sensor propriamente dito, este se encontrando em balanço. Esta modalidade está ilustrada na Figura 1 do presente relatório.

Uma segunda modalidade do sensor da invenção diz respeito ao mesmo sensor multiplexado, mas onde 0 corpo cilíndrico é uma peça separada do corpo do sensor propriamente dito.

Uma terceira modalidade é um sensor para ser usado sozinho ou terminal em um conjunto de sensores em série, onde 0 corpo cilíndrico serve de suporte a ser fixado na estrutura portadora, e, solidário ao dito corpo cilíndrico, o corpo do sensor propriamente dito, este se encontrando em balanço. Esta modalidade está ilustrada na Figura 3 do presente relatório.

Uma quarta modalidade é um sensor para ser usado sozinho ou terminal em um conjunto de sensores similares, onde corpo cilíndrico é uma peça separada do corpo do sensor propriamente dito.

Conforme a tecnologia de sensores a fibra óptica utilizando redes de Bragg, 0 sensor da invenção está inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo da dita fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, e inclui um corpo contendo uma membrana para fixar pelo menos duas redes de Bragg. O corpo propriamente dito do sensor da invenção é de formato geralmente retangular e tem dois rebaixos em superfícies opostas, ditos rebaixos definindo a membrana onde serão fixadas as redes de Bragg. A seção da dita membrana é constante. Alternativamente, a seção da membrana é variável.

Os rebaixos não são simétricos, qualquer um dos rebaixos sendo mais profundo do que o outro. Um dos rebaixos junto com um bujão define uma câmara de baixa pressão enquanto o outro rebaixo sofre diretamente a ação da pressão que se deseja medir.

Note-se que embora as Figuras a seguir representem os rebaixos na dimensão maior da seção do corpo do sensor propriamente dito, a invenção compreende uma modalidade não representada onde os rebaixos estão localizados na dimensão menor da seção do dito corpo. A modalidade do sensor da invenção requer para a medição da pressão e temperatura, pelo menos duas redes de Bragg. Se for desejado resultado ainda mais preciso das medições, uma rede de Bragg adicional pode ser incluída sendo fixada na membrana (17), ou ao longo de qualquer parte do interior da superfície (18). A fibra óptica pode ser monomodo ou multimodo.

Conforme o conceito da invenção, o presente sensor é isento do fenômeno de offset na medição dos valores de pressão e temperatura. Vantajosamente, isto é conseguido devido ao fato de que o corpo do sensor propriamente dito encontra-se em balanço, não havendo contato físico algum com a estrutura da estrutura portadora. No caso de poços de óleo e gás, entende-se por estruturas portadoras mandril, garras ou a própria coluna do poço. Em outras aplicações a estrutura da portadora será a estrutura correspondente para aquela aplicação.

Para colocar em balanço o corpo do sensor, o diâmetro do corpo cilíndrico é maior ou igual do que a diagonal maior do corpo do sensor propriamente dito.

Em aplicações do sensor para poços de óleo e gás, a montagem do mesmo (na modalidade multiplexada) na estrutura portadora é feita de tal modo que o corpo cilíndrico do sensor é necessariamente paralelo ao eixo axial da estrutura portadora. Em outras aplicações a montagem é efetuada na posição mais adequada à finalidade pretendida.

Ainda em relação à montagem do sensor na modalidade multiplexada, não existe qualquer limitação no que diz respeito ao início ou término do sensor ou seja, qualquer extremidade pode ser início ou término.

Adicionalmente, o conceito da invenção relativo ao sensor multiplexado, que utiliza um tubo flexível, resistente à pressão externa, que conduz a fibra óptica e conecta dois corpos cilíndricos formando os extremos do sensor, permite por sua característica elástica decorrente da geometria em espiral, senoidal ou similar, que qualquer efeito de flexão ou deformação axial da estrutura portadora não seja transmitido ao elemento sensor (membrana e rede de Bragg), o que garante a ausência de efeito de offset de pressão e temperatura nesta modalidade. O referido tubo flexível tem uma geometria tal que as dobras ou arredondamentos que constituem o mesmo não provocam atenuação nem efeitos de polarização na fibra óptica que passa pelo interior do dito tubo.

Devido às características construtivas do sensor da invenção, a fibra óptica contendo as redes de Bragg se encontra totalmente confinada no interior do dito sensor, o que garante a integridade da fibra óptica e conseqüentemente a integridade das redes de Bragg contra agentes reativos ou degradantes presentes no meio hostil como é o meio do petróleo e gás. O confinamento da fibra óptica no interior do sensor configura uma câmara de baixa pressão que garante a medição da pressão já que qualquer fluido invasor do ambiente elimina a possibilidade da medição da pressão desejada. Esta condição representa uma distinção importante do presente sensor em relação a dispositivos similares do estado da técnica, por exemplo, nos sensores objeto das patentes US 6.898.339B2 e 6.276.215B1 bem como no pedido brasileiro PI 0403240-3 as respectivas fibras ópticas deixam os sensores e encontram o meio externo. Para que isto não ocorra, há necessidade de um ou mais dispositivos adicionais para remediar a situação, cuja instalação exige varias etapas e manipulações que demandam tempo e mão de obra qualificada e cara. O sensor da invenção permite a medição de valores de pressão e temperatura em varias aplicações, sendo uma das mais importantes aquela destinada a medições em poços de óleo e gás.

Além disso, por sua versatilidade derivada da possibilidade de espessuras variáveis da membrana, o sensor do presente pedido encontra aplicação em vários setores de engenharia em pressões elevadas ou reduzidas, junto com a medição da temperatura, por exemplo, como piezômetro. A presente invenção será descrita a seguir por referência às Figuras anexas, que somente representam algumas configurações possíveis da mesma, sendo que os especialistas devem considerar que várias modificações e variações das mesmas são possíveis sem que se traia o espírito da invenção. A Figura 1 é uma vista explodida de uma modalidade da presente invenção em que o sensor está na configuração multiplexada e onde um corpo cilíndrico integral ao corpo do sensor propriamente dito serve de suporte para a fixação na estrutura portadora.

Conforme a Figura 1, uma modalidade do sensor óptico da invenção, geralmente designado pelo numeral (100) compreende: a) um conector óptico (51) fixado em um alojamento (21) (não representado) usinado em um pino (11 d) dotado de rosca (20), dito pino (11 d) sendo integral a um corpo cilíndrico (11c); b) o corpo (11a) propriamente dito do sensor, de formato geralmente retangular, com as arestas (12) arredondadas, com superfícies (13), (18) e (22), o corpo (11a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do corpo cilíndrico (11c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), o corpo (11a) tendo um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da membrana (17) (não representada), no dito rebaixo (13a) sendo alojados um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; c) Rosca (22a) na superfície (22) para inserção de dispositivo de conexão flexível (23) formado de duas conexões macho (23a, 23a’) e entre as duas ditas conexões macho, um tubo flexível (23b) moldado em duas ou três dimensões (espiral, senoidal ou similar) d) Rosca (22a’) (não representada) na superfície (22') para inserção da conexão (23a') em um corpo (11c’) dotado de pino (11d’) com rosca (20’) integral ao dito corpo (11c’), canal (19’) para inserção de um elemento de vedação e conector (51’) fixado na cavidade (21’) (não representada); e e) Uma fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a, 16b) (não representadas), a dita fibra (15) sendo integralmente contida no interior do sensor (100) entre os conectores ópticos (51, 51’) através de canais axiais (15a, 15a’) (não representados) e o dito dispositivo de conexão flexível (23). A Figura 2A ilustra um corte da modalidade multiplexada do sensor da invenção. Na Figura 2A podem ser vistos: a) os canais axiais (15a, 15a’) por onde passa a fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a,16b); b) a superfície (18) oposta à superfície (13) do corpo (11a). A superfície (18) tem um rebaixo (18a) que define a espessura da membrana (17), de seção constante ou variável; c) canal (19) para inserção de elemento de vedação; d) alojamentos (21) e (21’) do conector óptico (51,51’); e e) superfície (22’) e rosca (22a1). A Figura 2B é um corte do bujão (31) com canal (32) para conter elemento de vedação. A Figura 3 ilustra uma vista explodida de uma modalidade do sensor da invenção utilizado sozinho ou como sensor terminal de um conjunto de sensores em série. O sensor da Figura 3, geralmente designado pelo numeral (200) compreende: a) um conector óptico (51) fixado em um alojamento (21) (não representado) usinado em um pino (11d) dotado de rosca (20), dito pino (11 d) sendo integral a um corpo cilíndrico (11c); b) o corpo (11a) propriamente dito do sensor, de formato geralmente retangular, com as arestas (12) arredondadas, com superfícies (13), (18) e (22), o corpo (11a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do corpo cilíndrico (11 c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), o corpo (11a) tendo um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da membrana (17) (não representada), no dito rebaixo (13a) sendo alojados um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; A vista da Figura 3 não representa a fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a, 16b). A Figura 4 é um corte do mesmo sensor (200) onde podem ser vistas: a) o canal (15a) por onde passa a fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a,16b); b) a superfície (18) oposta à superfície (13) do corpo (11a). A superfície (18) tem um rebaixo (18a) que define a espessura da membrana (17), de seção constante ou variável; c) canal (19) para inserção de elemento de vedação; e d) alojamento (21) do conector óptico (51).

Deve ficar claro para os especialistas que, embora não representada, a modalidade das Figuras 1 e 3 admite uma variante dentro do escopo da presente invenção onde o corpo cilíndrico (11c) é montado separadamente no corpo (11a) na confecção dos sensores (100) e (200).

As Figuras 5A e 5B ilustram o comportamento típico do sensor da invenção montado com duas redes de Bragg, quando submetido aos efeitos de pressão e temperatura. A Figura 5A é um gráfico que exemplifica o comportamento de uma modalidade do sensor da invenção para pressão zero ou para uma condição de pressão constante quando a temperatura varia. Pode ser observado na Figura 5A que o comprimento de onda varia linearmente com a temperatura. A Figura 5B é um gráfico que exemplifica o comportamento de uma modalidade do sensor da invenção para as temperaturas Τι, T2, T3, T4, respectivamente 25, 40, 50 e 65 °C. Pode ser obvervado nesta Figura que, para cada temperatura, o comprimento de onda varia linearmente com a pressão. O comportamento do sensor em resposta à pressão e temperatura pode ser descrito, por exemplo, pelas equações abaixo: onde Per representam, respectivamente, pressão e temperatura, enquanto Λ, e À2, em uma modalidade do sensor da Figura 1 utilizando duas redes de Bragg, são as medidas dos comprimentos de onda centrais destas redes. Nas equações acima, aP, bP, cP, dp, aT, bT, cT, e dT são constantes de calibração.

Reivindicações

Claims (18)

1. Sensor óptico de pressão e temperatura a ser fixado em uma estrutura portadora, dito sensor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo de uma fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, dito sensor incluindo um corpo contendo uma membrana para fixar pelo menos duas redes de Bragg, dito sensor sendo caracterizado por que compreende: a) conectores ópticos {51, 51') fixados em alojamentos (21, 21') usinados em pinos (11 d, 11 d') integrais aos ditos corpos cilíndricos (11c, 11c') e dotados de roscas (20, 20'); b) corpo (11a) propriamente dito do sensor, de formato geral mente retangular, com arestas (12) arredondadas e superfícies (13), (18) e (22), dito corpo (11 a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do corpo cilíndrico (11c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), e onde dito corpo (11a) tem: b1) um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da membrana (17), no dito rebaixo (13a) sendo alojados: um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; e b2) um segundo rebaixo (18a) na superfície (18) oposta à dita superfície (13), dito rebaixo definindo a espessura da dita membrana (17); e c) Uma fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a, 16b) fixadas sobre a dita membrana (17), a dita fibra (15) sendo integralmente contida no interior do dito sensor entre os conectores ópticos (51,51’) através de canais axiais (15a, 15a’) e um dispositivo de conexão flexível (23), pelo que é garantida a ausência de efeito de offset de pressão e temperatura na medição efetuada.

2. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que alternativamente o corpo (11a) do sensor propriamente dito e o corpo cilíndrico (11c) são duas peças separadas, unidas no momento da montagem.

3. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a membrana (17) é de seção uniforme.

4. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que a membrana (17) é de seção variável.

5. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que os rebaixos (13a, 18a) são destituídos de simetria, qualquer um dos rebaixos (13a, 18a) sendo mais profundo do que o outro.

6. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por que um dos rebaixos (13a/18a) junto com o dito bujão (31) define uma câmara de baixa pressão enquanto o outro rebaixo (18a/13a) sofre diretamente a ação da pressão que se deseja medir.

7. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que os ditos rebaixos (13a,18a) estão localizados em qualquer superfície lateral do dito corpo (11a), desde que tais superfícies sejam opostas.

8. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que para maior precisão na medição dos valores de pressão e temperatura, uma terceira rede de Bragg é fixada na membrana (17).

9. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por que o dispositivo de conexão flexível (23) é inserido em rosca (22a) da superfície (22) do corpo (11a) com auxílio de conexão macho (23a) e em rosca (22a’) da superfície (22’) do corpo (11c’) com auxílio de conexão macho (23a’), com um tubo flexível (23b) moldado em duas ou três dimensões (espiral, senoidal ou similar) entre as duas ditas conexões macho (23a, 23a’).

10. Sensor óptico de pressão e temperatura a ser fixado em uma estrutura portadora, dito sensor estando inserido em um sistema que compreende um emissor de luz que se propaga ao longo do núcleo de uma fibra óptica contendo redes de Bragg gravadas na mesma, até encontrar uma rede de Bragg que reflete parte dessa luz, dito sensor incluindo um corpo contendo uma membrana para fixar pelo menos duas redes de Bragg, dito sensor sendo caracterizado por que compreende: a) conector óptico (51) fixado em um alojamento (21) usinado em um pino (11 d) integral a um corpo cilíndrico (11c) e dotado de rosca (20); b) corpo (11 a) propriamente dito do sensor, de formato geralmente retangular, com arestas (12) arredondadas e superfícies (13), (18) e (22), dito corpo (11a) sendo solidário ao corpo cilíndrico (11c), e de geometria tal que a diagonal maior é igual ou menor que o diâmetro do corpo cilíndrico (11 c) de forma a apresentar sempre uma distância (11b) entre a superfície do corpo (11a) e a tangente axial paralela à dita superfície no corpo cilíndrico (11c) de forma que o corpo (11a) esteja sempre em balanço em relação ao corpo (11c), e onde dito corpo (11a) tem: b1) um primeiro rebaixo (13a) na superfície (13) para formação de uma das superfícies da dita membrana (17), no dito rebaixo (13a) sendo alojados: um bujão (31) dotado de canal (32) e um anel elástico (41) de trava; e b2) um segundo rebaixo (18a) na superfície (18) oposta à dita superfície (13), dito segundo rebaixo definindo a espessura da dita membrana (17); e c) Uma fibra óptica (15) contendo pelo menos duas redes de Bragg (16a, 16b) fixadas sobre a dita membrana (17), a dita fibra (15) sendo integralmente contida no interior do dito sensor a partir do conector óptico (51) e através de um canal axial (15a), pelo que é garantida a ausência de efeito de offset de pressão e temperatura na medição efetuada.

11 .Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que alternativamente o corpo (11a) do sensor propriamente dito e o corpo cilíndrico (11c) são duas peças separadas, unidas no momento da montagem.

12. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que a membrana (17) é de seção uniforme.

13. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que a membrana (17) é de seção variável.

14. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que os rebaixos (13a, 18a) são destituídos de simetria, qualquer um dos rebaixos (13a, 18a) sendo mais profundo do que o outro.

15. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que um dos rebaixos (13a/18a) junto com o dito bujão (31) define uma câmara de baixa pressão enquanto o outro rebaixo (18a/13a) sofre diretamente a ação da pressão que se deseja medir.

16. Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que os ditos rebaixos (13a,18a) estão localizados em qualquer superfície lateral do dito corpo (11a), desde que tais superfícies sejam opostas.

17.

Sensor óptico de pressão e temperatura de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por que para maior precisão na medição dos valores de pressão e temperatura, uma terceira rede de Bragg é fixada na membrana (17), ou ao longo de qualquer parte do interior da superfície (18).