BRPI0613125A2 - equipamento sensor, sistema sensor, e método de medir temperatura e pressão - Google Patents

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Abstract

EQUIPAMENTO SENSOR, SISTEMA SENSOR, E MéTODO DE MEDIR TEMPERATURA E PRESSãO. Sistema sensor que incluir um sensor que possui uma área delimitada definindo urna câmara; um segmento de fibra ótica se estendendo desde o exterior da referida área delimitada ao interior da referida câmara; e uma seqüência de elementos de processamento ótico, dentro da câmara. Os elementos incluem uma grade de fibras de Bragg, um polarizador uma fibra de furo e um espelho. Uma fonte de luz é disposta para dírecionar luz ao(s) sensor(s). Um analisador espectral é disposto para detectar a luz refletida de retorno proveniente do(s) sensor(s). A grade de fibras de Bragg reflete substancialmente um primeiro envelope espectral ao mesmo tempo que transmite o restante do espectro ótico ao polarizador e fibra de furo lateral. O polarizador, fibra de furo lateral, e espelho cooperam para retornar um sinal ótico contido num segundo envelope espectral. O comprimento de onda caracteristico de um pico no primeiro envelope espectral é altamente sensível à temperatura e relativamente fracamente sensível à pressão. O período do sinal ótico contido no segundo envelope espectral é altamente sensível à pressão e relativamente fracamente sensível à temperatura. O analisador espectral mede esses componentes espectrais para simultaneamente derivar uma medição da temperatura e pressão que efetivamente compensam quanto à sensibilidade cruzada temperatura-pressão do(s) sensor(s).

Description

EQUIPAMENTO SENSOR, SISTEMA SENSOR, E MÉTODO DE MEDIRTEMPERATURA E PRESSÃO

Fundamentos da Invenção

Campo da Invenção

Esta invenção está relacionada a sensores de fibraótica para a medição de temperatura e pressão e a sistemasbaseados neles.

Descrição da Técnica Relacionada

Fibras óticas geralmente incluem um núcleocilíndrico, uma blindagem cilíndrica concêntrica ao redordo núcleo, e um envoltório protetor cilíndrico concêntricoenvolvendo a blindagem. O núcleo é feito de vidro ouplástico transparente possuindo um certo índice derefração. A blindagem é feita também de vidro ou plásticotransparente, mas possuindo um índice de refraçãodiferente, menor. A capacidade da fibra ótica em atuar comouma guia de onda que pode ser encurvada é amplamentedeterminada pelos índices refrativos relativos do núcleo eda blindagem.

O índice refrativo de um meio transparente é arelação da velocidade da luz em um vácuo para a velocidadeda luz no meio. À medida que um feixe de luz adentra ummeio, uma mudança na velocidade induz o feixe a alterar adireção. Mais especificamente, à medida que um feixe de luztransita a partir de um meio para um outro meio, o feixealtera a direção na interface dos dois meios. Em adição àalteração da direção na interface dos dois meios, uma partedo feixe incidente é refletido na interface tal que aenergia do feixe que transita através do segundo o erefletido precisa ser igual à energia do feixe incidente).Os ângulos de reflexão e de refração podem ser preditosusando a lei de Snell se os índices refrativos de ambos osmeios são conhecidos.

Mediante alterar os índices de refração dos doismeios adjacentes, o ângulo de refração e o ângulo dereflexão de um feixe que transita no sentido da interfacedos dois meios pode ser alterado tal que a intensidade daluz que adentra ao segundo meio se aproxime de zero esubstancialmente a totalidade da luz seja refletida nainterface. Reciprocamente, para quaisquer dois meiostransparentes, existe um ângulo crítico de incidência nainterface deles ou abaixo dela no qual substancialmente atotalidade da luz incidente será refletida. Esse fenômeno,conhecido como reflexão interna total, é aplicado naescolha dos índices refrativos do núcleo e da blindagem emfibras tal que a luz pode se propagar através do núcleo dafibra com mínima perda de energia.

Muitos outros fatores influenciam a propagação daluz através do núcleo de fibra ótica, incluindo asdimensões do núcleo e da blindagem, do comprimento de ondada luz, dos vetores de campo magnético da luz e vetores docampo elétrico da luz. Era adição, muitas das leis físicasusadas para determinar a propagação ideal da luz através deuma guia de onda (fibra ótica) consideram um a guia de onda"ideal", isto é, uma guia de onda reta com perfeitasimetria e sem imperfeições. Por exemplo, o diâmetro donúcleo irá .determinar se a fibra ótica é de "modo simples"ou "multimodo". Os termos modo simples e multimodo sereferem à orientação dimensional dos raios que se propagamatravés da fibra. Fibras de modo simples possuem um núcleocom um diâmetro relativamente pequeno {2-12 micra) esuportam apenas um modo de propagação, axial. Fibrasmultimodo possuem um núcleo com um diâmetro relativamentegrande (25-100 micra) e permitem aos raios ou modos nãoaxiais a se propagarem através do núcleo. As assim chamadasfibras de modo simples são em realidade fibras de doismodos no sentido em que existem dois diferentes estados depolarização ótica que podem ser propagados através donúcl eo. Em uma fibra ideal, reta, sem imperfeições comsimetria perfeitamente circular, a velocidade de propagaçãoda luz é independente da direção de polarização.

Uma fibra com um núcleo elíptico terá duasdireções preferidas de polarização (ao longo do eixo maiore ao longo do eixo menor). A luz linearmente polarizadainjetada na fibra em qualquer outra direção de polarizaçãoirá se propagar em dois modos separados que transitam emvelocidades ligeiramente diferentes. Esse tipo de fibra édita ter uma "birefringência modal". Em uma fibra realdesse tipo, uma luz ainda que idealmente polarizada iráacoplar no outro modo devido às imperfeições na interfacenúcleo-blindagem, flutuações do índice de refração, eoutros mecanismos. Alterações estáticas e dinâmicas napolarização podem ocorrer ao longo do comprimento completoda fibra. Ao longo de uma dada distância, as fases dos doismodos irá passar através de um ciclo inteiro de estar emfase e fora de fase. Essa distância é conhecida como o"comprimento de batimento". Um comprimento longo debatimento está associado com uma pequena birefringência eum comprimento curto de batimento está associado com umagrande birefringência. Fibras óticas birefringentes sãotambém conhecidas como "fibras que conservam polarização"ou "fibras mantenedoras de polarização (PM)". Abirefringência é conseguida mediante prover um núcleo comuma seção transversal elíptica ou mediante prover um núcleocircular com uma blindagem que induza estresse no núcleo.Por exemplo, a blindagem pode ser provida com dois membrosentesados paralelos possuindo eixos longitudinais que sesituam no mesmo plano como o eixo do núcleo.

Sensores de fibra ótica utilizam o fato de que csefeitos ambientais podem alterar a amplitude, fase,freqüência, teor espectral, ou polarização da luz propagadaatravés de uma fibra ótica. As vantagens primárias dossensores de fibra ótica incluem a capacidade deles paraserem de baixo peso, muito pequenos, passivos, eficientesquanto à energia, rústicos, e imunes à interferênciaeletromagnética. Em adição, os sensores de fibra óticapossuem o potencial quanto a sensibilidade muito alta,grande faixa dinâmica, e ampla largura de faixa. Alémdisso, uma certa classe de sensores de fibra podem serdistribuídos ou multiplexados ao longo de um comprimento dafibra.

Um tipo de sensor de fibra ótica é um sensor depressão de fibra ótica de furo paralelo que possui doisfuros paralelos que percorrem o comprimento da fibra e sãoparalelos ao núcleo. Os eixos dos furos do núcleo se situamnum plano comum. Essa geometria resulta em converter apressão hidrostática externa numa tensão anisotrópica nonúcleo induzindo desse modo a birefringência. Jansen eDabkiewicz em um artigo intitulado wHigh Pressure FiberOptic Sensor with Side Hole Fiber", publicado em SPIEProceedings, Fiber Optic Sensors II, Vol. 798, pp. 56-60,1987 descreve uma tal estrutura. Alterações na temperaturatambém influenciam a birefringência do núcleo. Todavia, asensibilidade do sensor de fibra de furo lateral à pressãoé significativamente maior que sua sensibilidade àtemperatura. Desse modo, o sensor de pressão de fibra óticade furo lateral pode ser usado efetivamente em aplicaçõesonde as variações de temperatura sejam mínimas. Emaplicações onde ambos a temperatura e pressão sãovariáveis, medições complexas precisam ser tomadas paracompensar quanto aos efeitos da temperatura sobre abirefringência do sensor e na medição da pressãoresultante. Além disso, a relativa insensibilidade dosensor de pressão de fibra ótica de furo lateral àtemperatura o torna inadequado para medição da temperatura.Desse modo, um sensor de temperatura em separado e distintoco-posicionado com o sensor de pressão de fibra ótica defuro lateral é tipicamente empregado par esse propósito.

Um outro tipo se sensor de fibra ótica utiliza umagrade de fibra de Bragg. A grade de fibras de Bragg éformada no núcleo da fibra ótica mediante dopar uma fibraótica com um material tal como germânio e em seguida exporo lado da fibra a uma padrão de interferência para produzirvariações senoidais no indice refrativo do núcleo. Doismétodos atualmente conhecidos para proporcionar o padrão deinterferência são por meio de produção de imagemholográfica e por grade de mascaramento de fase. Detalhesda metodologia para a fabricação de tais grades de fibra deBragg são discutidos na Patente norte americana U.S. No.5.380.995, o comprimento de onda central do envelopeespectral refletido pela grade de fibras de Bragg se alteralinearmente com a tem e tensão. Desse modo, tais alteraçõespodem ser medidas para derivar temperatura e tensão noambiente do sensor como descrito na Patente norte americanaU.S. No. 5.380.995.A grade de fibras de Bragg pode ser também formadacomo parte do núcleo de um sensor de pressão de fibra óticade furo lateral como descrito na Patente norte americanaU.S. No. 5.841.131. Nessa estrutura, os comprimentos deonda dos picos (e de seus deslocamentos relativamente unsaos outros) no envelope espectral refletido pela grade deBragg irá mudar com base na pressão hidrostática aplicadaao sensor. Desse modo, tais mudanças podem ser medidas paraderivar pressão no ambiente do sensor. Similar ao sensor depressão de fibra ótica de furo lateral, a temperaturainfluencia a birefringência do núcleo e é difícil deseparar as contribuições correlatas com a pressão ecorrelatas com a temperatura em relação ao deslocamentocompleto do comprimento de onda no envelope espectralrefletido. Desse modo, em certas aplicações onde ambostemperatura e pressão são variáveis, medições complexasprecisam ser tomadas para compensar quanto aos efeitos datemperatura sobre a birefringência. Tais medições complexassão descritas por Chimielewska e outros no artigointitulado "Measurement of Pressure and Temperaturesensitivities of a Bragg grating imprinted em a highlybirefringent side hole fiber", Applied Optics, vol 42 No.21, de novenbro de 2003. Nesse artigo, o espectro refletidoé analisado para identificar o deslocamento do comprimentode onda em dois modos ortogonais de polarização(LP0Ix, LP0Iy) . Um dos modos (LP0ix, ) é altamente sensível atemperatura ainda que insensível a pressão. 0 outro modo(LP0Iy) é sensível a ambos temperatura e pressão. Essascaracterísticas podem ser exploradas para derivarsimultaneamente as medições de temperatura e pressão pelainvestigação dos deslocamentos do comprimento de onda nosdois modos de polarização. Todavia, tais esquemas decompensação são difíceis e custosos para implementar paradiferentes aplicações e instalações. Adicionalmente, asensibilidade do comprimento de onda à pressão nessaabordagem é bastante pequena (cerca de 1 picometro/1,27kg/cm2 (1 picometro/18 psi)), e é difícil conseguirresolução de comprimento de onda melhor que 0,1 picometro(pm) com a tecnologia ótica atual. Portanto, é muitodifícil utilizar essa abordagem na maioria das aplicaçõesnas quais uma medição de pressão de alta resolução sejaexigida. Um amplificador mecânico pode ser aplicado à gradede fibras a fim de aumentar sua sensibilidade à pressão,mas isso a torna mais difícil fabricar e cria problemas deestabilidade e de repetibilidade.

Breve Sumário da Invenção

E portanto, um objetivo da invenção proporcionarum sensor de fibra ótica (e sistemas sensitivos com basenele) que permita uma compensação simples e eficaz dasensibilidade cruzada temperatura-pressão.

É um outro objetivo da invenção proporcionar umtal sensor de fibra ótica (e sistemas sensitivos com basenele) que permita quanto à medição simultânea datemperatura e pressão pelo sensor de fibra ótica.

E um objetivo adicional da invenção proporcionarum tal sensor de fibra ótica (e sistemas sensitivos combase nele) que proporciona componentes distintos noenvelope espectral refletido pelo sensor, onde um doscomponentes é altamente sensível à temperatura (efracamente sensível à pressão) e um outro componente éaltamente sensível à pressão (e fracamente sensível àtemperatura).

É também um objetivo da invenção prover um talsensor de fibra ótica que seja rústico e barato.

De acordo com esses objetivos, os quais serãodi scutidos em detalhes adiante, um aperfeiçoado sistemasensor inclui pelo menos um sensor possuindo uma áreadelimitada que define uma câmara, um segmento de fibraótica se estendendo desde o lado de fora da área delimitadaao interior da câmara, e uma seqüência de elementos deprocessamento ótico dispostos de modo operativos nointerior da câmara. Os elementos incluem uma grade defibras de Bragg, um polarizador e uma primeira fibra defuro paralelo. Uma fonte de luz é disposta para direcionarluz ao(s) sensor(s). Um analisador espectral é dispostopara detectar a luz de retorno refletida proveniente do(s)sensor (s}. Em uma modalidade, a fonte de luz emite luz defaixa relativamente ampla e o analisador espectral incluiura filtro ótico ajustável. Em uma modalidade alternativa, afonte de luz é um dispositivo laser ajustável que pode sercontrolado para variar dinamicamente o comprimento de ondada luz emitida a partir dele. A grade de fibras de Braggreflete substancialmente um predeterminado primeiroenvelope espectral ao mesmo tempo em que transmite orestante do espectro ótico ao polarizador e à fibra de furolateral. O polarizador, fibra de furo lateral, e espelhocooperam para retornar um sinal ótico dentro de umpredeterminado segundo envelope espectral. O polarizador épreferivelmente concretizado por uma outra fibra de furolateral com metal liquido preenchido nos furos laterais. Ocomprimento de onda ^ característico do pico do primeire=envelope espectral é altamente sensível à temperatura erelativamente fracamente sensível à pressão. O espectroótico contido no segundo envelope espectral é uma forma deonda senoidal cujo período é altamente sensível à pressão erelativamente fracamente sensível à temperatura. Oanalisador espectral identifica esses componentesespectrais para derivar simultaneamen.te uma medição de umatemperatura e pressão.

Será notado que os componentes do sistema sensorsimplesmente compensam quanto à sensibilidade cruzada detemperatura-pressão do(s) sensor(s). Ele tambémproporcionam um sensor que é rústico e barato.

De acordo com uma modalidade, o analisadorespectral gera uma referência com base na distânciacaracterística entre picos de comprimento de ondaadjacentes no segundo envelope espectral, deriva umatemperatura com base na pressão de referência e nocomprimento de onda característico do pico no primeiroenvelope espectral, e em seguida deriva uma pressãocompensada por temperatura com base na temperatura e nadistância característica entre picos de comprimentos deonda adjacentes no segundo envelope espectral.

Objetivos e vantagens adicionais da invenção setornaram evidentes por aqueles usualmente versados natécnica quando da referência à descrição detalhada tomadaem conjunto com as Figuras apresentadas.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistemasensor de fibra ótica de acordo com a presente invenção.

A Figura 2 é uma vista esquemática em seçãotransversal de uma modalidade representativa do sensor daFigura 1.

A Figura 3 é uma vista esquemática da grade defibras de Bragg do sensor da Figura 2.

A Figura 4 é uma vista esquemática da fibra comfuro lateral do sensor da Figura 2.

A Figura 5 é um gráfico do teor espectral da luzrefletida do sensor e analisada pelo analisador espectralda Figura 1.Descrição Detalhada da Invenção

Como usado aqui, o termo "a montante" é geralmentedefinido como disposto mais próximo da fonte de luz dosistema. Reciprocamente, "a jusante" geralmente significadisposto afastado da fonte de luz do sistema.

Voltando à Figura 1, um representativo sistemasensor de fibra ótica 10 de acordo com a invenção incluigeralmente uma fonte de luz 12, ura divisor de feixe 16, umanalisador espectral 14 e um ou mais sensores de fibraótica 18. Uma guia de onda 20 (tal como uma guia de onda defibra ótica) direciona a luz gerada pela fonte de luz 12 aodivis or de feixe 16. O divisor de feixe 16 direciona essaluz para o(s) sensor(s) de fibra ótica 18 sobre a guia deonda de fibra ótica 22, onde os componentes espectrais detal luz incidente são refletidos de volta ao longo da guiade onda 22. o divisor de feixe 16 direciona os componentesdesejados da luz que retorna ao analisador espectral 14,preferivelmente por meio de uma guia de onda ótica 24. Afonte de luz 12 proporciona diferentes componentes decomprimento de onda e pode ser concretizado por meio de umlaser ajustável, um ou mais LEDs, um ou mais diodos laser,ou outras fontes de espectro relativamente amplo. 0analisador espectral pode ser um dispositivo de Fabry-Ferotou outro tipo de dispositivo. As guias de onda 20, 22, e 24podem ser guias de onda fibra de modo simples ou demanutenção de polarização.Como mostrado na Figura 2, o sensor de fibra ótica18 inclui uma seção guia de onda de fibra ótica 51 que éparte de (ou acoplado a) à guia de onda de fibra ótica 22.A seção 51 da guia de onda de fibra ótica passa através deuma passagem ótica 53 ao interior de uma câmara 54 definidapor uma carcaça metálica 55 (preferivelmente formada apartir de titânio). A pressão hidrostática aplicada àcarcaça metálica 55 é transferida para um tubo de vidro 57que está disposto no interior da câmara 54.

Preferivelmente, tal transferência de pressão é auxiliadopelo uso de uma estrutura em foles 56 que está disposta aofinal da carcaça metálica 55 oposta à passagem 53. Aestrutura de foles 56 provê deformação longitudinal dacarcaça 55 em resposta às pressões hidrostáticas aplicadasao sensor 18. Tal deformação longitudinal varia o volume dacâmara 54, transferindo desse modo as alterações da pressãoambiental para o tubo de vidro 57. O interior 59 do tubo devidro 57 é preenchida com um metal (por ex., gálio ou umaliga de gálio) que está numa forma liquida no ambienteoperacional pretendido. O interior 59 do tubo de vidro 57possuem também saida para a câmara 54 do tubo metálico 55através de um capilar de respiro 61 para desse modoproporcionar uma transferência de pressão entre a câmara 54da carcaça metálica 55 e o interior 59 do tubo de vidro 57.Nessa construção, o interior 59 do tubo de vidro 57 formauma câmara de pressão acoplada de modo operativo à câmara54 da carcaça metálica 55, e a carcaça metálica 55 protegeos componentes ali contidos do ambiente externo da carcaça55. Portanto, ela é adequada para ambientes hostis tal comoo monitoramento ao longo da extenso do furo em aplicaçõesde perfuração e de produção de petróleo e gás. A seção guiade onda de fibra ótica 51 se estende para dentro dointerior 59 do tubo de vidro 57 onde ela é acoplada a umaseqüência de elementos de processamento ótico 63, 65, 67,69 dispostos dentro do tubo de vidro 57.

Como mostrado na Figura 3, um primeiro doselementos de processamento ótico é uma grade de fibras deBragg 63 que compreende uma grade 71 gravada por sobre onúcleo 73 de uma peça de fibra ótica 7 5 que é emparceirado{preferivelmente por emenda ou fusão) à seção guia de ondade fibra ótica 51. A grade de fibras de Bragg 63 épreferivelmente materializada a partir de uma fibra depoliamida porque tal material pode ser adaptado para manterestabilidade em altas temperaturas (por ex., mantémestabilidade até 300 0C quando temperada a 400 0C) eapresenta flutuação relativamente pequena de comprimento deonda {por ex., menos que 10 ppm 'anualmente) . A grade defibras de Bragg 63 reflete substancialmente umpredeterminado envelope espectral ao mesmo tempo em quetransmite o restante do espectro ótico ao polarizador 65 esensor de furo lateral 67, os quais estão dispostos maisadiante da brade de fibras de Bragg 63. O comprimento deonda central do envelope espectral refletido da grade defibras de Bragg, denotado por Xg, é altamente sensível àmudanças de temperatura experimentadas pelo sensor 18 (erelativamente insensível às alterações na pressãohidrostática experimentadas pelo sensor). Na modalidadepreferida, a grade de fibra de Bragg 63 é apodizada eprojetada para ter um estreito envelope espectral óticorefletido entre cerca de 1510 nm e 1610 nm com umcomprimento de onda central Xg como mostrado na Figura 5.

Esse envelope espectral refletido é retornado a através daseção guia de onda de fibra ótica 51, da guia de onda defibra ótica 22, do divisor de feixe 16, e guia de onda defibra ótica 24 ao analisador espectral 14 paraprocessamento como apresentado adiante. A grade de fibrasde Bragg 63 terá tipicamente uma sensibilidade detemperatura de 10 pm/°C e uma sensibilidade de pressão de -0,43 pm/kg por cm2 (-0,03 pm/psi).

O segundo elemento de processamento ótico é umpolarizador 65 que polariza linearmente a luz passada pelagrade de fibras de Bragg 63 para fornecer a um comprimentoda fibra de furo lateral 67. O eixo de polarização dopolarizador 65 está orientado num ângulo de 45°relativamente aos eixos de birefringência da fibra de furolateral 67.

O terceiro elemento de processamento ótico é umafibra de furo lateral 67 que é materializada por meio de umcomprimento da fibra 77 com um núcleo ellptico ou circular79 e dois furos paralelos 81A, 81B que percorrem ocomprimento da fibra' e são paralelos ao núcleo 7 9 comomostrado na Figura 4. Os eixos dos furos 81A, 81B e onúcleo 7 9 se situam num plano comum.

O polarizador 65 é preferivelmente materializadopor meio de um curto comprimento de fibra de furo lateral(por ex., da ordem de 3 mm) com um núcleo eliptico oucircular e dois furos paralelos que percorrem o comprimentoda fibra e são paralelos ao núcleo em um modo similar ao dafibra de furo lateral da Figura 4. Além disso, os furoslaterais do polarizador 65 são centrados ao longo de umalinha radial que define o eixo de polarização, que édeslocado num ângulo de 45 ° relativamente aos eixos debirefringência da fibra de furo lateral 67 tal quequantidades iguais de luz são carregadas ao interior doseixos de polarização χ e y. Adicionalmente, um ou ambos osfuros laterais do polarizador são preenchidos com metal(por ex., gálio ou uma liga de gálio) que está na formaliquida no ambiente operacional pretendido. Os furoslaterais do polarizador 65 induzem uma perda diferencialentre os dois modos de polarização, atuando desse modo parapolarizar linearmente a luz passada pela grade de fibras deBragg 63. Sob a pressão hidrostática aplicada, a fibra defiro lateral 67 se torna biref ringente. A fibrabirefringente é altamente sensível à pressão aplicada erelativamente insensível à temperatura ambiental do sensor18. A sensibilidade à pressão pe determinada pelocomprimento e geometria da seção transversal da fibra defuro lateral 67.

A extremidade descendente da fibra de furo lateral67 é terminada pelo quarto elemento de processamento ótico,um espelho 69, que reflete a luz de volta através da fibrade furo lateral 67 e através do polarizador 65 onde os doismodos de polarização interferem. A pressão atuando sobre afibra de furo lateral 67 induz um comprimento de caminhoótico diferencial entre o comprimento visto pela luzpolarizada-x e o comprimento visto pela luz polarizada-y.Esse comprimento ótico diferencial ds é diretamenteproporcional à pressão aplicada e pode ser obtido medianteutilizar uma Transformada Rápida de Fourier no espectroótico que é formado pela interferência dos feixespolarizados em χ e y. O comprimento ótico diferencial ds édeterminado principalmente pelo período do espectro. Ele éaltamente sensível à pressão hidrostática aplicada aosensor 18 e relativamente insensível à temperaturaambiental do sensor 18. Tal luz interferente (e oscomponentes espectrais contidos) retorna de volta atravésda grade de fibras de Bragg 63, seção guia de onda de fibraótica 51, guia de onda de fibra ótica 22, divisor de feixe16, e guia de onda de fibra ótica 24 ao analisadorespectral 14 para processamento como apresentado adiante. Afibra de furo lateral 67 pode ser facilmente adaptada talque sua sensibilidade à pressão seja de cerca de 356 nun/kgpor cm2 (25 nm/psi) e sua sensibilidade de temperatura sejamenor que 2 nm/°C em termos das alterações do comprimentoótico diferencial.

O espelho 69 na extremidade descendente da fibrade furo lateral 67 é preferivelmente um espelho de fibraalinhado com 100 por cento de refletividade. Os furoslaterais são preferivelmente selados por união por fusão eem seguida clivados antes de produzir o espelho 69. O sinalótico retornado proveniente do polarizador 65 é altamentepolarizado, tal que a passagem 53, seção guia de onda defibra ótica 51, guia de onda de fibra ótica 22, divisor defeixe 16, guia de onda de fibra ótica 24, e analisadorespectral 14 são requeridos possuir baixas perdasdependentes da polarização.

Uma passagem de fibra acopla a seção guia de ondade fibra ótica 51 e a grade de fibras de Bragg 63 juntas.Todos os componentes óticos tais como passagem 53, grade defibras de Bragg 63, e fibra de furo lateral 67 são unidospor fusão.

O analisador espectral 14, que é preferivelmentematerializado por meio de um filtro ótico ajustável,receptor ótico, e circuito de processamento de sinal (oupossivelmente múltiplas cópias para canais paralelos deprocessamento do sinal ótico), opera em dois modos. Noprimeiro modo, o filtro ótico ajustável é adaptado parapassar um estreito envelope espectral correspondente aoenvelope espectral refletido da brade de fibras de Bragg 63do sensor 18 ao receptor ótico. Esse estreito envelopeespectral é varrido sobre os comprimentos de onda noenvelope espectral refletido da grade de fibras de Bragg 63para identificar um pico máximo nele. Esse pico em Xg érepresentativo da mudança do comprimento de onda central dagrade de fibras de Bragg 63, denotada por AXgf que éaltamente sensível à temperatura ambiental do sensor 18 erelativamente insensível à pressão aplicada ao sensor 18.

No segundo modo, o filtro ótico ajustável está adaptado apassar um estreito envelope espectral correspondente aoscomponentes espectrais retornados provenientes dopolarizador 65 do sensor 18 ao receptor ótico.esse estreitoenvelope espectral é varrido sobre os comprimentos de ondados componentes espectrais retornados provenientes dopolarizador 65 para identificar o espectro de interferênciaótica.esse comprimento ótico diferencial entre os modos depolarização em χ e y é representativo da mudança nocomprimento ótico diferencial entre os feixes depolarização em χ e y da fibra de furo lateral 67, denotadopor Ads, que é altamente sensível à pressão aplicada aosensor 18, ainda que relativamente insensível à temperaturaambiental do sensor 18. Uma resposta espectralrepresentativa retornada proveniente do sensor 18 éilustrada na Figura 5. Por simplicidade da descrição, ocomprimento de onda característica de um pico que estáidentificado no primeiro modo é marcado Xq. Esses doismodos operacionais podem ser dois mapeamentos separados, ouum mapeamento simples em seguida separados em doisespectros mediante utilização de um algoritmo especial deprocessamento de sinal.

Dado que o comprimento de onda central inicial dagrade de Bragg é Xgr e o comprimento ótico diferencialinicial é ds, duas equações simultâneas para medições detemperatura e pressão derivadas do sensor 18 podem serdescritas como a seguir:

<formula>formula see original document page 21</formula>

onde Δλ9 é a alteração no comprimento de ondacentral a grade de fibras de Bragg 63;

Ads é a alteração no comprimento ótico diferencialentre os feixes de polarização em χ e y da fibra de furolateral 67;

ατ e α,ρ são os coeficientes de temperatura epressão da grade de fibras de Bragg 63, os quais sãocalibrados sob a condição da grade preenchida com metalliquido (por ex., gálio ou liga de gálio);

μ(ΔΤ) é uma função não linear da temperatura que édevido à dispersão da fibra; e

βρ é um coeficiente de pressão.

μ(ΔΤ) e βΡ são calibrados com o sensor preenchidocom um metal líquido.

A partir dos resultados experimentais, a fibra defuro lateral 67 possui muito baixa sensibilidade àtemperatura (por ex., muito menor que 0,0703 kg por cm2/°C(1 psi/°C) ou 25 nm/°C em comprimento ótico diferencial).Portanto, o efeito da alteração de temperatura (por ex., aparte μ(ΔΤ)} na equação (2) pode ser ignorado para obteruma alteração da pressão de referência no comprimento óticodiferencial Ads (calculado no segundo modo) para derivar aalteração da pressão de referência APreferência como a seguir:

<formula>formula see original document page 22</formula>

Ela então usa a alteração do comprimento de ondacentral AXg (calculado no primeiro modo) e APreferência daequação (3) juntamente com a equação (1) para derivar umaalteração de temperatura compensada por pressão, denotada^Tc omp como a seguir:

<formula>formula see original document page 22</formula>

A alteração de temperatura ATcomp calculada naequação (4) é em seguida usada na equação (2) para derivaruma alteração na pressão compensada por temperatura,denotada por APcomp, como a seguir:

<formula>formula see original document page 23</formula>

O circuito de processamento de sinal então analisaa diferença entre a alteração da pressão de referênciaAPreferência e a alteração de pressão compensada portemperatura APcomp para determinar se a diferença estácontida num predeterminado valor deslocado limiar. Se isoocorre, o circuito de processamento de sinal registra apressão Pea temperatura T do sensor como:

P = Pcal + APcoffip (6)

T = Tcal + ATcomp (7)

onde Pcal e Tcal são a pressão e temperaturainiciais de calibração.

Entretanto, se APcomp-APreferência é maior que arequerida exatidão de pressão, APcomp é usado parasubstituir APreferência na equação (4) e o processo deinteração é continuado até que a convergência sejaconseguida.

De modo vantajoso, os componentes do sistemasensor descritos aqui compensam de modo simples e eficazquanto a sensibilidade cruzada temperatura-pressão do(s)sensor(s). Os sensores descritos aqui são baratos erústicos, e desse modo são adequados para os ambienteshostis tais como o monitoramento ao longo da extenso dofuro em aplicações de perfuração e de produção de petróleoe gás. Embora uma modalidade da invenção tenha sidodescrita, não é pretendido que a invenção esteja limitada aesta, na medida que é pretendido que a invenção tenha umescopo amplo como a técnica permita e que a especificaçãoseja interpretada do mesmo modo. Por exemplo, o sistemasensor revelado é meramente representativo de um sistema noqual o sensor de fibra ótica pode ser usado. Aquelesusualmente versados na técnica irão notar que o sensor defibra ótica da invenção pode ser vantajosamente usado emoutros tipos de sistemas sensores. Em adição, seráentendido que múltiplos sensores podem ser acoplados a umaúnica guia de onda ótica para proporcionar medições depressão e temperatura provenientes de diversos locais pormeio de um comutador ótico. Aqueles usualmente versados natécnica irão também compreender que pequenos sensores defibra ótica de acordo com a invenção podem ser unidos agrades de comercialmente disponíveis em fibras óticas eposicionados num ponto de detecção relativamente distantedo{s) analisador(s) espectral. Além disso, emboraconfigurações particulares tenham sido reveladas comreferência aos componentes de processamento ótico dosistema, será notado que outras configurações podem sertambém utilizadas. Por exemplo, a fonte de luz pode sermaterializada por meio de um dispositivo laser ajustávelque possa ser controlado para variar dinamicamente ocomprimento de onda da luz emitida a partir dele. Nessaconfiguração o analisador espectral não necessita incluirum filtro ótico ajustável. Será portanto notado por aquelesusualmente versados na técnica que ainda outrasmodificações podem ser feitas na invenção provida sem sedesviar de seu escopo como assim reivindicado.

Claims (37)

1. EQUIPAMENTO SENSOR, caracterizado porcompreender:uma área delimitada definindo uma câmara;um segmento de fibra ótica se estendendo desde oexterior da referida área delimitada ao interior dareferida câmara; euma seqüência de elementos de processamentoótico, dispostos operativamente no interior da referidacâmara e acoplados de modo operativo ao referido segmentode fibra ótica, compreendendoi) uma grade de fibras de Bragg,ii) um polarizador e uma primeira fibra defuro lateral disposta de modo operativo a jusante dareferida grade de fibras de Bragg, eiii) um espelho disposto de modo operativo ajusante do referido polarizador e referida fibra de furolateral.
2. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o referido polarizadorcompreender urna segunda fibra de furo lateral.
3. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 2, caracterizado por:a referida primeira fibra de furo lateral possuirum núcleo e furos laterais que estão dispostos radialraentea partir de seu núcleo numa primeira dimensão; ea referida segunda fibra de furo lateral possuirum núcleo e furos laterais que estão dispostos radialmentea partir de seu núcleo numa segunda dimensão.
4. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 2, caracterizado por um ou mais dos furoslaterais da referida segunda fibra de furo lateral estarempreenchidos com um metal liquido.
5. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 4, caracterizado por o referido metal liquidocompreender gálio ou uma liga de gálio.
6. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a referida áreadelimitada compreender um tubo de vidro.
7. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o referido tubo de vidroestar preenchido com um metal liquido.
8. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a referida áreadelimitada estar disposta de modo operativo no interior deuma carcaça.
9. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 8, caracterizado por adicionalmentecompreender um capilar que proporciona transferência depressão entre o interior da referida carcaça e a referidacâmara.
10. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 8, caracterizado por a referida carcaçaincluir uma passagem através da qual passa o referidosegmento de fibra ótica para fornecimento ao interior dareferida câmara da referida carcaça.
11. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 8, caracterizado por a referida carcaçaincluir uma estrutura em fole que se deforma em resposta àpressão hidrostática aplicada ao referido equipamentosensor.
12. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a referida grade defibras de Bragg ser apodizada.
13. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o referido espelho é umespelho de fibra alinhado com 100 por cento derefletividade.
14. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 12, caracterizado por os referidos furoslaterais adjacentes da referida extremidade da referidafibra de furo lateral serem selados por união por fusão.
15. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por o referido polarizadorpossuir um eixo de polarização que está deslocado numângulo de 45° a partir dos eixos de birefringência dareferida primeira fibra de furo lateral.
16. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por a referida grade defibras de Bragg estar adaptada para refletirsubstancialmente um predeterminado primeiro envelopeespectral ao mesmo tempo em que transmite o restante doespectro ótico ao referido espectro ótico ao referidopolarizador e fibra de furo lateral, onde um comprimento deonda característico de um pico dentro do referidopredeterminado primeiro envelope espectral é altamentesensível à temperatura e relativamente fracamente sensívelà pressão no ambiente do referido equipamento sensor.
17. Equipamento sensor, de acordo com areivindicação 1, caracterizado por:o referido polarizador, a referida primeira fibrade furo lateral, e o referido espelho estão adaptados pararetornar um sinal ótico contido num predeterminado segundoenvelope espectral; eo espectro ótico do referido sinal ótico ser umaforma de onda senoidal cujo período é altamente sensível àpressão e relativamente fracamente sensível à temperaturano ambiente do referido equipamento sensor.
18. SISTEMA SENSOR, caracterizado por compreender:a) uma fonte de luz;b) um analisador espectral; ec) pelo menos um sensor incluindoi) uma área delimitada que define umacâmara;ii) um segmento de fibra ótica se estendendodesde o lado externo da referida área delimitada aointerior da referida câmara, eiii) uma seqüência de elementos deprocessamento ótico, dispostos de modo operativo dentro dareferida câmara e acoplados de modo operativo ao referidosegmento de fibra ótica, compreendendo uma grade de fibrasde Bragg, um polarizador e uma primeira fibra de furolateral disposta de modo operativo a jusante da referidagrade de fibras de Bragg, e um espelho disposto de modooperativo a jusante do referido polarizador e da referidafibra de furo lateral;onde a referida fonte de luz está disposta paradirecionar luz ao referido pelo menos um sensor e oreferido analisador espectral está disposto para detectar aluz de retorno refletida a partir do referido pelo menos umsensor.
19. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 18,caracterizado por a referida fonte de luz compreenderuma fonte de luz de faixa relativamente ampla e o referidoanalisador espectral compreender um filtro ótico ajustável.
20. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por a referida fonte de luz compreenderum dispositivo laser ajustável.
21. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por adicionalmente compreender um divisorde feixe e uma guia de onda de fibra ótica que cooperampara direcionar a luz gerada pela referida fonte de luz aoreferido segmento de fibra ótica do referido sensor e paradirecionar a luz refletida proveniente do referido segmentode fibra ótica do referido sensor ao referido analisadorespectral.
22. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por:a referida grade de fibras de Bragg refletirsubstancialmente um predeterminado primeiro envelopeespectral ao mesmo tempo que transmite o restante doespectro ótico ao referido polarizador e primeira fibra defuro lateral; eo referido analisador espectral operar numprimeiro modo para identificar um comprimento de ondacaracterístico de um pico contido no referidopredeterminado primeiro envelope espectral.
23. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por:o referido polarizador, referida primeira fibrade furo lateral, e referido espelho cooperarem pararetornar um sinal ótico contido num predeterminado segundoenvelope espectral;o espectro ótico do referido sinal ótico ser umaforma de onda senoidal; eo referido analisador espectral operar numsegundo modo para identificar o período do referido sinalótico.
24. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por o referido analisador espectralincluir meios para gerar uma alteração na pressão dereferência, APreferênciar com base no período identificado noreferido segundo modo.
25. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 24, caracterizado por:a referida alteração na pressão de referência,APreferência, ser calculada como, ondeAds é a alteração no comprimento óticodiferencial entre os feixes de polarização em χ e y daprimeira fibra de furo lateral, ePp é um coeficiente de pressão.
26. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado por o referido analisador espectralincluir meios para derivar uma alteração de temperatura,ATcomp/ com base na referida alteração da pressão dereferência.
27. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por:a referida alteração de temperatura, ATcotnp, sercalculada como ATcomp =<formula>formula see original document page 33</formula>, ondeAXq é uma alteração no comprimento de ondacentral da grade de fibras de Bragg, eατ e CXp são os coeficientes de temperatura epressão da grade de fibras de Bragg.
28. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por o referido analisador espectralincluir meios para derivar uma alteração de pressão, APcomp,com base na referida alteração de pressão.
29. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por:a referida alteração de pressão, ΔΡοοπ1ρ< sercalculada como ~x(Ads -μ(ΑΤαοηψ)), ondeμ(ΔΤαοπΐρ) é uma função não linear da alteração datemperatura que é devido à dispersão da fibra.
30. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por adicionalmente compreender umcircuito de processamento de sinal para analisar adiferença entre a alteração da pressão de revestimento,APreferência/ s a alteração de pressão, APconip, para determinarse a diferença está contida num predeterminado valordeslocado.
31. Sistema sensor, de acordo com a reivindicação- 30, caracterizado por adicionalmente compreender circuitode processamento de sinal para registrar pressão, P, etemperatura, T, do sensor como:P = Pcal APcompT = TcaI + ATcomponde Pcai e Tcai são pressão e temperaturacalibradas iniciais,quando a diferença entre a alteração da pressãode referência, APreferência, e a alteração de pressão APcomp,está contida num predeterminado valor deslocado.
32. MÉTODO DE MEDIR TEMPERATURA E PRESSÃO,caracterizado por compreender:a) obter um sensor possuindo primeiros meios paragerar um primeiro sinal ótico e segundos meios para gerarum segundo sinal ótico, o referido primeiro sinal óticocontido num predeterminado primeiro envelope espectralpossuindo pelo menos um componente espectral que éaltamente sensível a temperatura e relativamente fracamentesensível à pressão no ambiente do sensor, e o referidosegundo sinal ótico contido num predeterminado segundoenvelope espectral possuindo pelo menos um componenteespectral que é altamente sensível à pressão erelativamente fracamente sensível à temperatura no ambientedo sensor;b) acoplar oticamente o sensor a uma fonte de luze a um analisador espectral;c) direcionar a luz proveniente da fonte de luzpara o sensor;d) direcionar a luz retornada proveniente dosensor ao analisador espectral;e) controlar o referido analisador espectral paraderivar uma alteração da pressão de referência com base noreferido pelo menos um componente espectral contido noreferido predeterminado segundo envelope espectral;f) controlar o referido analisador espectral paraderivar uma alteração de temperatura com base no referidopelo menos um componente espectral contido no referidopredeterminado primeiro envelope espectral e referidaalteração da pressão de referência;g) controlar o referido analisador espectral paraderivar uma alteração de pressão compensada por temperaturacom base na referida alteração de temperatura;h) substituir a referida alteração da pressão dereferência na etapa f com a referida alteração de pressãocompensada por tem proveniente da etapa g e repetir asetapas f e g até que a diferença entre a alteração dapressão de referência e da alteração de pressão compensadapor temperatura esteja contida num predeterminado valordeslocado; ei) definir a temperatura pedida como a soma deuma temperatura calibrada inicial e a alteração detemperatura; ej) definir a pressão medida como a soma de umapressão calibrada inicial e a alteração de pressãocompensada por temperatura.
33. Método, de acordo com a reivindicação 32,caracterizado por os referidos primeiros meioscompreenderem uma grade de fibras de Bragg, e o referidopelo menos um componente espectral contido no referidopredeterminado primeiro envelope espectral compreender umcomprimento de onda característico de um pico no referidopredeterminado primeiro envelope espectral.
34. Método, de acordo com a reivindicação 33,caracterizado por os referidos segundos meios compreenderemum polarizador e fibra de furo lateral, e o referido pelomenos um componente espectral contido no referidopredeterminado segundo envelope espectral compreender operíodo do referido segundo sinal ótico no referidopredeterminado segundo envelope espectral.
35. Método, de acordo com a reivindicação 34,caracterizado por:a referida alteração na pressão de referência,ΔΡ referência/ ser calculada comoondeAds é a alteração no comprimento óticodiferencial entre os feixes de polarização em χ e y daprimeira fibra de furo lateral., eβρ é um coeficiente de pressão.
36. Método, de acordo com a reivindicação 35,caracterizado por:a referida alteração de temperatura, ATcorap, sercalculada como ATcomp =<formula>formula see original document page 37</formula>, ondeAkg é uma alteração no comprimento de ondacentral da grade de fibras de Bragg, eCt1- e CXp são os coeficientes de temperatura epressão da grade de fibras de Bragg.
37. Método, de acordo com a reivindicação 36,caracterizado:a referida alteração de pressão, APcomp, sercalculada como χ (àds -μ(ΑΤεοηιρ)), ondeμ (ATcomp) é uma função não linear da alteração datemperatura que é devido à dispersão da fibra.
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