BRPI1101991B1

BRPI1101991B1 - Viscômetro baseado em rede de bragg ou em rede de período longo em fibra óptica

Info

Publication number: BRPI1101991B1
Application number: BRPI1101991-3A
Authority: BR
Inventors: Alexandre Almeida Prado Pohl; Roberson Assis De Oliveira; John Canning; Kevin Cook
Original assignee: Universidade Tecnológica Federal Do Paraná
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2021-07-20
Also published as: WO2012135927A2; WO2012135927A4; BRPI1101991A2; WO2012135927A3

Abstract

viscômetro baseado em rede de bragg ou em rede de período longo em fibra óptica. viscômetro compacto de imersão baseado na modulação acusto-áptica de uma rede de bragg ou de uma rede de período longo (9). a excitação da rede por uma onda acústica flexural (20) gerada por um elemento piezoelétrico (3) provoca uma mudança das características físicas da rede, acarretando mudança na característica espectral do sinal óptico que a atravessa. a mudança na característica espectral ocorre em um tempo de característico, que pode ser medido com um sistema de interrogação. este tempo é proporcional à viscosidade do fluído que se deseja medir e no qual a rede está imersa.

Description

I. CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção trata de um viscômetro (também chamado viscosímetro) compacto a fibra óptica, baseado na modulação acusto-óptica de redes de Bragg e/ou redes de período longo. Viscômetros são usados em várias áreas da atividade humana, sendo empregados, por exemplo, no interior de caldeiras na indústria alimentícia e também para a medida de viscosidade em vasos sanguíneos. O viscômetro aqui descrito, quando imerso em um fluído, possibilita a medida da viscosidade através do amortecimento de onda acústica flexural que excita uma rede de Bragg ou uma rede de período longo, elementos sensores responsáveis pela caracterização do amortecimento. Sua vantagem é ser extremamente compacto, além de ser constituído de material dielétrico (vidro), imune à interferência eletromagnética.

O viscômetro descrito baseia-se no uso de redes de Bragg ou de redes de período longo em fibra óptica, que possuem sensibilidade intrínseca à deformação mecânica, à mudança de temperatura e de índice de refração. Ao se aplicar a modulação acusto-óptica a uma rede de Bragg ou uma rede de período longo, uma componente dinâmica é adicionada ao sistema, tornando a rede sensível à medida da viscosidade. Quando submetida a uma onda acústica flexural, a resposta espectral da rede de Bragg ou da rede de período longo sofre uma mudança, a qual ocorre em um tempo característico diretamente proporcional à absorção da energia acústica pelo fluído, sendo este dependente da viscosidade do meio.

II. ESTADO DA TÉCNICA

A viscosidade é a propriedade de um fluído que caracteriza sua resistência ao escoamento. Um viscômetro (US2203132)é um instrumento usado para medição da viscosidade. Em geral, para se medir a viscosidade, o fluído se mantém estacionário enquanto um objeto se move através dele ou, então, o objeto se mantém estacionário enquanto o fluído se movimenta em torno dele. Existem diversos tipos de viscômetros, dentre os quais se destacam o viscômetro capilar (US2048305, US2095282,US3864962, US3930402, US7730769), o viscômetro de esfera em queda (US4627272, US5203203), o viscômetro rotacional(US2957339,US4045999),o viscômetro vibracional (US4799378, US6439034), o viscômetro de pistão e o viscômetro de bolhas.

O viscômetro capilar consiste em um tubo de vidro com formato em U operado na posição vertical, sendo que cada braço possui um pequeno reservatório com volume conhecido, mas situados em alturas diferentes. O fluído, cuja viscosidade se deseja medir, é inserido no reservatório com altura superior. A existência de duas marcas, uma acima e outra abaixo de tal reservatório, determinam um volume exato de fluído. O tempo levado pelo fluído para escoar entre as duas marcas determina a chamada viscosidade cinemática.

O viscômetro de esfera em queda consiste de um tubo de vidro operado na posição vertical, no qual o fluído com densidade conhecida se mantém estacionário. A viscosidade é obtida a partir da determinação da chamada velocidade terminal, que é medida pelo tempo de queda de uma esfera de tamanho e densidade conhecidos entre duas marcas existentes na parede do tubo de vidro. Variantes desse viscômetro utilizam um tubo de vidro em posição inclinada.

O viscômetro vibracional se baseia na medida do amortecimento de um ressonador eletromecânico que se encontra em oscilação dentro do fluído. O ressonador pode ser uma lâmina, um cilindro ou mesmo uma peça em forma de um garfo. A oscilação pode ser torsional ou transversal no interior do fluído. O amortecimento pode ser medido pela potência elétrica necessária para manter o ressonador oscilando com amplitude constante (quanto maior a viscosidade, maior a potência utilizada), pelo tempo de decaimento da oscilação após a excitação do ressonador ser desligada (quanto maior a viscosidade, mais rápido será o amortecimento)ou ainda pela medida da frequência entre o ângulo de fase do sinal de excitação e a forma de onda elétrica correspondente à resposta mecânica do ressonador (quanto maior a viscosidade, maior a mudança na frequência).

O viscômetro rotacional se baseia na medida do torque necessário para girar um objeto dentro de um fluído, a partir do qual a viscosidade é determinada. O objeto rotacionado pode ser um disco ou uma lâmina. Quanto maior o torque aplicado, maior será a viscosidade medida.

O viscômetro de pistão é constituído por um pistão que se move dentro de um cilindro, no qual se encontra o fluído, cuja viscosidade se deseja medir. O pistão é movido na direção vertical e quando isto ocorre o fluído ocupa o volume antes ocupado por aquele. Ao descer, por gravidade, à posição original o pistão move o fluído para baixo. A medida do tempo de queda do pistão entre marcas estabelecidas no interior do cilindro é usada para se medir a velocidade e determinar a viscosidade do fluído.

O viscômetro de bolhas se baseia na medida da velocidade com que bolhas de ar atravessam um fluído inserido dentro de um tubo e emergem à superfície daquele. Ao se determinar o tempo em que as bolhas atravessam duas marcas existentes na parede do tubo no qual se encontra o fluído, a velocidade pode ser medida e a viscosidade determinada.

Ao contrário dos viscômetros apresentados acima, o viscômetro aqui descrito se baseia na medida do amortecimento de uma onda acústica flexural gerada em uma fibra óptica por um elemento piezoelétrico. Quanto maior a viscosidade do fluído, maior será o amortecimento da onda flexural na fibra. O amortecimento da onda é medido com elementos sensores, tais como uma rede de Bragg (US4474427) ou uma rede de período longo (US20010022880, US6084996, US6563984), usadas como elemento transdutor do viscosímetro. Uma rede de Bragg é um dispositivo fotônico capaz de acoplar luz do modo eletromagnético fundamental para o modo fundamental contra-propagante na fibra óptica. Por outro lado, uma rede de período longo é um dispositivo fotônico capaz de acoplar luz do modo eletromagnético fundamental para modos de casca no sentido co- propagante. Em ambos os casos, o acoplamento ocorre devido à interação do modo óptico propagante com um padrão periódico de modulação do índice de refração ao longo de um pequeno trecho da fibra óptica. A modulação periódica do índice de refração no núcleo da fibra é produzida empregando-se, por exemplo, perturbações mecânicas ou induzidas por radiação eletromagnética coerente (laser) em um trecho da fibra óptica. A diferença entre uma rede de Bragg e uma rede de período longo diz respeito ao período correspondente à modulação do índice de refração no núcleo da fibra. Em uma rede de Bragg o período de modulação é da ordem de dezenas de nanômetros enquanto que em uma rede de período longo, o período de modulação do índice de refração é da ordem de centenas de micrômetros. Redes de Bragg foram inicialmente fabricadas por Hill et al em 1979, ao passo que redes de período longo foram primeiramente fabricadas por Vengsarkar et al em 1996, ambas surgindo como solução para diversas aplicações em sistemas de comunicações ópticas e também em sensores ópticos, por se tratar de um transdutor intrínseco para alguns fatores (tensão, temperatura, índice de refração - e agora viscosidade).

III. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Dispositivo para medir viscosidade (viscômetro ou viscosímetro) cujo princípio de funcionamento se baseia na modulação acusto-óptica de uma rede de Bragg ou de uma rede de período longo. A excitação da rede de Bragg ou da rede de período longo, inscrita em um trecho de fibra óptica, é realizada através de um modulador acusto-óptico, construído empregando-se um elemento piezoelétrico e uma corneta acústica, cujas partes são posicionadas longitudinalmente ao trecho de fibra. O elemento piezoelétrico é utilizado para gerar a onda acústica, cuja energia é acoplada de forma otimizada à fibra com a ajuda da corneta acústica. A corneta acústica é um dispositivo muito utilizado na construção de dispositivos acusto-ópticos. A corneta utilizada na presente invenção é capaz de gerar na fibra excitação tanto longitudinal quanto flexural, permitindo a ampliação da faixa de excitação do viscômetro para frequências acústicas de dezenas a milhares de kilohertz.

Para facilitar a conexão do dispositivo com o módulo interrogador, um adaptador com um conector para fibra óptica é montado junto à base maior da corneta. Para tornar o viscômetro mais robusto, uma proteção com acesso lateral ao fluído é usada para cobrir o elemento transdutor. Apenas no caso do emprego de redes de período longo, um espelho é impresso na face da fibra óptica oposta à base maior da corneta, cuja função é refletir o espectro de transmissão da rede para o elemento de fotodetecção.

O módulo interrogador é composto por um gerador de radiofrequência, uma fonte óptica, um elemento fotodetector, e um controlador, responsável por controlar os equipamentos, analisar os dados e calcular o valor da viscosidade.

IV. DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Figura 1. Cabeça sensora do viscômetro.

Figura 2. Desenho esquemático da montagem da cabeça sensora.

Figura 3. Cabeça sensora montada contendo a cápsula de proteção.

Figura 4. Diagrama ilustrativo da cabeça sensora e do sistema de interrogação.

Figura 5. Diagrama ilustrativo da excitação da onda acústica flexural na fibra óptica.

V. DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A cabeça sensora do viscômetro, como mostrado na figura 1, é constituída de várias partes, a saber: o conector de fibra óptica (1), usada para o acoplamento de um cordão óptico à cabeça sensora, a flange de transição (2), que serve como base do conector de fibra óptica e do elemento piezoelétrico, o elemento piezoelétrico (3) usado para excitação da onda acústica, a corneta acústica (4), responsável pelo acoplamento da onda acústica na fibra óptica (5). A fibra ainda contém uma rede de Bragg ou uma rede de período longo gravada no seu núcleo (9). No caso de emprego de uma rede de período longo, a fibra ainda possui um espelho em uma de suas extremidades (10). As partes 1, 2, 3 e 4 ainda possuem um pequeno furo em seu centro para passagem da fibra(6, 7 e 8). Tais furos permitem que a fibra óptica e a rede de Bragg ou rede de período longo nela inscrita sejam facilmente substituídas na cabeça sensora, em caso de necessidade.

A figura 2 mostra o dispositivo montado com as partes descritas na figura 1 corretamente posicionadas. O conector de fibra óptica (1) e o elemento piezoelétrico (2) são fixados em ambos os lados da flange de transição (2). A corneta acústica (4) é fixada na superfície do elemento piezoelétrico (3). A fibra óptica com a rede de Bragg ou com a rede de período longo (5) é posicionada ao longo do eixo axial da corneta. Na extremidade da fibra óptica, que se encontra fora da corneta acústica, um espelho é depositado (10), o qual é utilizado para refletir o espectro óptico de transmissão da rede de período longo - caso esta seja empregada - e que se propaga pela fibra, tornando possível sua captura pelo dispositivo de fotodetecção existente no sistema de interrogação.

Uma cápsula de material rígido (11) é fixada na flange de transição (2) e é utilizada para envolver a corneta acústica (4) e a fibra óptica (5), afim de protegê-las e formar uma base rígida para o engastamento da fibra óptica na peça mecânica, como mostra a figura 3. Isto se faz necessário, pois a modulação acusto-óptica é realizada utilizando-se uma onda acústica estacionária, obtida pela fixação de uma extremidade da fibra na extremidade de menor diâmetro da cápsula. A cápsula contém uma abertura lateral (12), de modo a permitira imersão da fibra no fluído a ser medido.

A figura 4 mostra o diagrama de blocos do viscômetro composto pela cabeça sensora e pelo sistema interrogador. O controlador (13) envia um sinal elétrico do tipo degrau para o gerador de radiofrequência (14), que por sua vez excita o elemento piezoelétrico (3), o qual gera a onda acústica flexural na rede de Bragg ou na rede de período longo (9). A modulação provocada pela onda acústica altera as características espectrais da rede, cuja medida é realizada com auxílio da fonte de luz (15), responsável pela geração de um sinal óptico de comprimento de onda apropriado na fibra, e do fotodetector (16). O circulador ou acoplador óptico (17) serve para inserir e retirar o sinal óptico da fibra, representado pelas setas (7). Os dados oriundos do fotodetector são então coletados e analisados pelo controlador, que determina o valor da viscosidade do fluído sob medida.

A figura 5 mostra esquematicamente como o efeito acousto-óptico age na rede de Bragg ou na rede de período longo. Quando um sinal elétrico de frequência igual ou aproximada à ressonância do elemento piezoelétrico é aplicado a este, uma onda acústica é excitada na base da corneta acústica (19). Uma onda flexural (20) é gerada se a frequência de excitação encontra-se na faixa entre 0 e 1 megaciclos por segundo. A onda acústica gerada possui um comprimento de onda cujo valor pode ser igual ou algumas vezes menor do que o comprimento da rede (21). A excitação da rede pela onda acústica provoca uma mudança de suas características físicas acarretando também uma mudança na característica espectral do sinal óptico que a atravessa, através do efeito conhecido como acusto-óptico. A mudança na característica espectral ocorre em um tempo de transição característico, que representa o tempo necessário para que haja a formação de uma onda estacionária na rede de Bragg ou rede de período longo. Este tempo é medido com o sistema de interrogação e é proporcional à viscosidade do fluído no qual a rede de Bragg ou rede de período longo está imersa. A representação do efeito da viscosidade está esquematizada pelas setas (22) mostradas na figura 5, as quais simbolizam a força que o fluido transfere à fibra, amortecendo a onda acústica flexural que se propaga pelo fluído.

Claims

1. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica caracterizado por uma cabeça sensora formada por um conector de fibra óptica (1), uma flange de transição (2), um elemento piezoelétrico (3), uma corneta acústica (4), uma fibra óptica (5) e uma rede de Bragg ou uma rede de período longo(9) nela gravada, sendo que, no caso de emprego de uma rede de período longo, a fibra óptica possui um espelho em sua extremidade (10) fabricado com material refletor (dielétrico ou metálico).

2. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fibra óptica (5) atravessa o conector (1), a flange de transição (2), o elemento piezoelétrico (3) e a corneta acústica (4) em seu sentido longitudinal.

3. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica caracterizado por uma cápsula (11), que é constituída de material rígido (vidro, metal ou plástico) que envolve a corneta acústica (4) e a fibra óptica (5), afim de protegê-los e formar uma base rígida para o engastamento da fibra na extremidade da cápsula, oposta à flange de adaptação (2).

4. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 3, é caracterizado pelo fato de possuir abertura na lateral da cápsula (12) de forma a expor a fibra óptica com a rede de Bragg ou a rede de período longo (9) ao fluído cuja viscosidade se deseja medir.

5. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica caracterizado por um sistema de interrogação, constituído pela cabeça sensora, de acordo com a reivindicação 1, por um acoplador ou circulador óptico (17), uma fonte de luz (15), um gerador de radiofrequência (14), um fotodetector (16) e um circuito de controle (13).

6. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede fibra óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o controlador (13) emitir sinal de controle para o gerador de radiofrequência (14) e para a fonte de luz (15), cujas saídas são aplicadas ao elemento piezoelétrico (3) e à entrada do acoplador ou circulador óptico (17), respectivamente.

7. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por receber o sinal do fotodetector (16) através da porta de saída do acoplador ou circulador (17).

8. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o gerador (14) emitir frequência igual ou aproximada à ressonância do elemento piezoelétrico (3), frequência que é aplicada ao elemento piezoelétrico gerando uma onda acústica flexural ao longo da fibra, cujo comprimento de onda (21) pode ser igual ou menor do que o comprimento da própria rede.

9. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a onda flexural provocar curvaturas na fibra na qual a rede de Bragg ou a rede de período longo (9) está escrita, alterando seu índice de refração elou seu período por intermédio do efeito acusto-óptico.

10. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de o sinal óptico se propagar na direção propagante e contra-propagante da fibra, e ter suas características espectrais alteradas quando interagir com a rede de Bragg ou com a rede de período longo

11. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a onda flexural (20) alterar as propriedades mecânicas da rede de Bragg ou da rede de período longo, tornando-a sensível ao amortecimento da onda acústica no fluído no qual está inserida, cuja resposta pode ser medida em um fotodetector.

12. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede fibra óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o sinal elétrico aplicado ao elemento piezoelétrico ter duração finita no tempo, da ordem de milissegundos, proporcionando alteração das propriedades mecânicas da rede de Bragg ou da rede de período longo em um tempo também finito.

13. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o sinal elétrico na saída do fotodetector ter uma duração finita no tempo, cujo tempo de subida ou de relaxação pode ser medido e cujos comportamentos apresentam uma dependência linear com a viscosidade do fluído.

14. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de o controlador (13) calcular a viscosidade do fluído a partir da análise do tempo de subida ou de relaxação medido pelo fotodetector.

15. Viscômetro baseado em rede de Bragg ou em rede de período longo em fibra óptica, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por uma rede de Bragg ou rede de período longo que atua como elemento sensor e que pode também ser substituída por uma rede de difração qualquer, desde que suas propriedades espectrais possam ser modificadas pelo efeito acusto-óptico.