BRPI1105063B1 - sensor óptico de alta sensibilidade para avaliação de adulteração de combustíveis empregando redes de período longo e fibras ópticas afinadas - Google Patents
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Abstract
sensor óptico de alta sensibilidade para avaliação de adulteração de combustíveis empregando redes de período longo e fibras ópticas afinadas o presente pedido de patente de invenção refere-se a um sistema óptico capaz de medir variações de índice de refração de soluções líquidas com alta sensibilidade. o dispositivo sensor é construído a partir de fibra óptica a qual tem suas dimensões diminuídas e na qual se grava duas redes de período longo dispostas em série. a sensibilidade para este dispositivo é 22 vezes maior do que a situação onde não existia a região afinada entre as duas lpgs em série. a medida de variações de índice de refração utilizando fibras ópticas é de grande utilidade na identificação da concentração de um determinado soluto em uma dada solução de interesse. em especial, devido ao fato de as fibras ópticas serem eletricamente passivas e representarem uma alternativa a medidas por absorção, os sensores a fibra óptica que se baseiam na interação do campo evanescente da luz com o meio de interesse se tornam potencialmente interessantes no que tange ao monitoramento de combustíveis.
Description
SENSOR ÓPTICO DE ALTA SENSIBILIDADE PARA AVALIAÇÃO DE ADULTERAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS EMPREGANDO REDES DE PERIODO LONGO E FIBRAS ÓPTICAS AFINADAS
Campo da invenção
O presente pedido de patente de invenção refere-se a um sistema óptico capaz de medir variações de índice de refração de soluções líquidas com alta sensibilidade, em particular de soluções de combustíveis. O dispositivo sensor é construído a partir de uma fibra óptica a qual tem suas dimensões diminuídas e na qual se grava duas redes de período longo dispostas em série.
A medida de variações de índice de refração utilizando fibras ópticas é de grande utilidade na identificação da concentração de um determinado soluto em uma dada solução de interesse. Em especial, devido ao fato de as fibras ópticas serem eletricamente passivas e representarem uma alternativa a medidas por absorção, os sensores a fibra óptica que se baseiam na interação do campo evanescente da luz com o meio de interesse se tornam potencialmente interessantes no que tange ao monitoramento de combustíveis. Fundamentos da invenção
A identificação da qualidade de combustíveis, bem como a medida da relação percentual em volume entre dois combustíveis, consistem em temas de grande relevância na atualidade. O desenvolvimento de sensores cuja aplicação nesse campo seja possível e que forneçam uma medida de alta sensibilidade é, portanto, muito importante.
As fibras ópticas revolucionaram o campo da comunicação óptica e têm sido cada vez mais utilizadas na área de sensoriamento óptico, assunto da presente invenção.
Para utilização da fibra como sensor de alguma grandeza, uma dada propriedade da luz guiada deve ser sensível ao parâmetro a ser medido. Dentre os parâmetros que podem ser medidos a partir da utilização de fibras
2/10 ópticas, encontram-se pressão, temperatura, tração mecânica, índice de refração, entre muitos outros.
Em particular, pode-se gravar uma estrutura periódica longitudinalmente ao eixo da fibra (redes de período longo — LPGs) de maneira fazer com que o sinal transmitido por esta tenha uma resposta espectral característica. Assim, a medida advém da avaliação de tal espectro, o qual é alterado em função do parâmetro que se deseja analisar.
Diversas técnicas podem ser utilizadas para a gravação do padrão da rede, a saber técnicas baseadas na utilização de laser de UV, de femtosegundos ou de CO2, bem como na utilização de arco elétrico ou pressão mecânica. No presente trabalho tais redes foram gravadas de forma mecânica ao se pressionar uma peça corrugada contra uma fibra óptica convencional. A Figura 1 ilustra a técnica de gravação de LPGs por pressão mecânica.
A Figura 2, por sua vez, apresenta um espectro de uma rede de período longo mecanicamente induzida (período de 500 pm). Nesse caso, a rede induz o acoplamento do modo fundamental de núcleo a dois diferentes modos de casca nos comprimentos de onda de 1469 nm e 1549 nm.
O artigo (“Fiber optic sensors for hydrocarbon detection”; R. Falate, R.C. Kamikawachi, M. Müller, H. J. Kalinowski, J. L. Fabris; Sensors and Actuators B; V. 105 (2005)) propõe um sensor baseado em uma rede de período longo gravada em uma fibra óptica convencional para medir concentrações de solventes em gasolina. A medida é realizada a partir da imersão da rede de período longo na solução de interesse. O sensor é avaliado ao se analisar a resposta espectral da rede (localização das ressonâncias) em função das concentrações dos solventes avaliados.
O artigo (“Fiber-taper seeded long-period grating pair as a highly sensitive refractive-index sensor”; Jin-Fei Ding, A. Ping Zhang, Li-Yang Shao, Jin-Hua Yan, Sailing He; Photonics Technology Letters, V. 17 (2005)) propõe um sistema de medida de índice de refração de soluções aquosas utilizando uma região de fibra afinada entre duas redes de período longo. A resposta espectral é monitorada ao se avaliar concentrações de glicose diluída em água.
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Diante do exposto, seria útil que fosse desenvolvido um sistema baseado na resposta espectral de uma fibra óptica capaz de medir variações de índice de refração com alta sensibilidade em soluções de combustíveis.
A proposta do sistema óptico de medição de variações de índice de refração a que se refere este pedido de patente é aumentar a sensibilidade nas medições acerca da identificação da concentração de dado soluto de interesse em soluções líquidas, em especial soluções de combustíveis. Para tanto, propõe-se uma montagem que alia um interferômetro formado por duas redes de período longo mecanicamente induzidas a uma região de fibra afinada (taper) conforme esquematizada na Figura 3. O dispositivo aqui proposto possui uma sensibilidade 5,2 vezes superior àquela reportada no artigo “Fiber optic sensors for hydrocarbon detection” anteriormente citado para a medida de sensoriamento da concentração de etanol em gasolina.
Breve descrição da invenção
A presente invenção foi desenvolvida com o objetivo de se medir opticamente variações de índice de refração em soluções líquidas com alta sensibilidade. Para isso propõe-se um sistema óptico, cujo dispositivo sensor consiste em uma fibra óptica que possui uma região afinada (taper). Nesta fibra, duas redes de período longo são gravadas mecanicamente numa configuração em série, de tal forma que o taper fique entre as redes (Figura 3). A invenção proposta tem a vantagem em medir variações de índice de refração com alta sensibilidade (uma sensibilidade média de 880 nm/RIU foi obtida experimentalmente).
O sistema proposto é constituído por uma fonte de luz com espectro largo, uma fibra óptica com região afinada, peças de gravação das redes mecânicas, analisador de espectro óptico ou outro método de interrogação óptica.
O método de medição proposto consiste em incidir luz de espectro largo em uma fibra óptica com região afinada na qual há gravação de redes de período longo e, em seguida, inserir a luz transmitida em um sistema óptico que permita analisar a mudança da resposta espectral de acordo com a
4/10 variação da concentração dos líquidos em contato com a região de fibra afinada.
Dois exemplos de aplicação deste sistema seriam na identificação de adulteração de combustíveis e na medida da relação percentual em volume de combustíveis para veículos bicombustíveis.
Breve descrição das figuras
O invento passará a ser descrito a seguir com referência aos desenhos apensos, nos quais:
A Figura 1 apresenta um esquema para o processo de gravação de redes de período longo mecanicamente induzidas. Nesse processo, uma peça corrugada (1) com um período constante (referenciado por Λ) é pressionada contra a fibra óptica. Para que se obtenha a resposta da rede, uma fonte de luz de espectro largo (2) deve iluminar a fibra em uma de suas extremidades. A outra extremidade, por sua vez, deve ser conectada a um analisador de espectro óptico (3).
A Figura 2 apresenta o espectro de transmissão de uma LPG (Λ = 500 pm) mecanicamente induzida mostrando os picos de ressonância correspondentes aos modos de casca aos quais o modo fundamental do núcleo foi acoplado.
A figura 3 apresenta um esquema para o interferômetro com duas LPGs em série e taper (4) para aumento de sensibilidade.
A Figura 4 apresenta um esquema para o interferômetro com duas LPGs em série ilustrando de forma pictórica o caminho dos modos de núcleo e casca para o entendimento do princípio físico de funcionamento do interferômetro.
A Figura 5 apresenta os espectros do interferômetro (LPGs com período 600 pm, distantes 17 cm entre si; diâmetro do taper. 10 pm) em função da concentração de etanol diluído em água (solução em contato com o taper).
A Figura 6 apresenta um gráfico para duas franjas do espectro do interferômetro (LPGs com período 600 pm, distantes 41 cm entre si; diâmetro
5/10 do taper: 10 pm) para as ocasiões nas quais o taper estava imerso em soluções de 97,6% a 100% de gasolina (0-2,4% etanol).
A Figura 7 apresenta um gráfico para a posição espectral das franjas interferométricas da Figura 6 em função da porcentagem de etanol na solução em contato com o taper.
Descrição detalhada da invenção
Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um sistema óptico e a um método de medição de variações de índice de refração com aplicação no sensoriamento de combustíveis.
O sistema óptico (Figura 3) proposto é constituído por:
a) Fonte de luz de espectro largo (2).
b) Dispositivo sensor constituído por uma fibra óptica com região afinada (3) na qual há gravação de duas redes de período longo em série, de modo que a região afinada fique entre as redes.
c) Analisador de espectro óptico para medição de deslocamento espectral (4).
A faixa da região espectral da luz incidente deve ser compatível com o intervalo de comprimentos de onda onde se localizam os picos de ressonância das redes gravadas.
Uma das formas de se afinar uma região da fibra consiste em aquecer esta determinada região através de chama controlada ou por outros métodos, e esticar longitudinalmente as extremidades opostas, de forma a criar um estiramento da fibra o que ocasiona a diminuição do diâmetro da mesma.
A gravação da rede de período longo na fibra é caracterizada pela alteração periódica do índice de refração da mesma. Diversas técnicas podem ser utilizadas para a gravação do padrão da rede, a saber técnicas baseadas na utilização de laser de UV, de femtosegundos ou de CO2, bem como na utilização de arco elétrico ou pressão mecânica. No presente trabalho tais redes foram gravadas de forma mecânica ao se pressionar uma peça corrugada contra uma fibra óptica convencional. A Figura 1 ilustra a técnica de gravação de LPGs por pressão mecânica.
6/10
Na LPG, o modo fundamental que viaja pelo núcleo da fibra pode ser acoplado a um conjunto de modos de casca. Tal acoplamento ocorre em comprimentos de onda específicos, estando todos os modos envolvidos viajando no mesmo sentido do modo fundamental. Devido a perdas por absorção, espalhamento e curvaturas, tais modos de casca decaem rapidamente enquanto se propagam ao longo do eixo e pela casca da fibra. O resultado líquido deste acoplamento é, portanto, a ocorrência de grande perda óptica (que pode chegar a mais de 20 dB) nos comprimentos de onda de ressonância no espectro de transmissão da rede. A Figura 2, por sua vez, apresenta um espectro de uma rede de período longo mecanicamente induzida (período de 500 pm). Nesse caso, a rede induz o acoplamento do modo fundamental de núcleo a dois diferentes modos de casca nos comprimentos de onda de 1469 nm e 1549 nm.
Os comprimentos de onda de ressonância da rede Àres podem ser previstos pela equação (1), onde nc é o índice de refração efetivo do modo de núcleo, nCi(N) o índice de refração efetivo para um modo de ordem N e A é o período da rede [1].
=(%-«^)Λ [1]
O fato de a rede ter a capacidade de acoplar o modo fundamental do núcleo a modos de casca torna a fibra sensível a variações do índice de refração externo. Tal sensibilidade advêm do fato de nCi(N) ser fortemente dependente do índice do material que envolve a casca da fibra. Assim, é natural considerar a aplicação dos dispositivos desenvolvidos a partir das LPGs como sensores de índice de refração.
Como os picos das redes de período longo são usualmente muito largos, no intuito de se aumentar a resolução da medida, pode-se construir interferômetros a partir do uso de duas LPGs em série. Nessa configuração, a luz que viaja pelo núcleo é parcialmente acoplada a modos de casca a comprimentos de onda específicos ao passar pela região da primeira rede. Em seguida, a luz é reacoplada ao modo fundamental pela segunda rede. A
7/10 diferença entre os caminhos ópticos faz com que existam franjas de interferência no espectro de transmissão das redes. A Figura 4 ilustra o interferômetro anteriormente descrito.
Núcleo e casca da fibra formam, nesse sentido, os dois braços do interferômetro. O modo de casca é sensível às variações de índice de refração do meio externo à fibra. Assim, ao se alterar o índice de refração de uma dada amostra de interesse na qual a região entre as redes é imersa (por meio de alteração de sua concentração, por exemplo), a relação de fase entre as ondas que se propagam como modo de núcleo e modo de casca é alterada e, por conseguinte, a resposta do interferômetro também o é (as franjas do interferômetro se deslocam espectralmente).
Surge, portanto, a possibilidade de medir adulteração de combustíveis pela vantagem de tal dispositivo se basear em uma medida que considera a interação do campo evanescente da luz que viaja como modo de casca com a amostra de interesse e não o fenômeno de absorção, o qual não seria propício em aplicações de sensoriamento de combustíveis - dado que em medidas baseadas em absorção, devido ao fato de os combustíveis apresentarem impurezas em solução, alta perda óptica seria induzida pelo espalhamento da luz no líquido. Um problema, no entanto, apresentado por este sistema é a baixa sensibilidade.
Se uma montagem na qual se dispõe um taper na região entre as redes é construída (Figura 3), a sensibilidade do sistema pode ser aumentada, posto que o taper faz com que uma maior porção do campo evanescente da luz permeie o meio externo à fibra.
A Figura 5 apresenta um espectro característico do interferômetro acima referenciado (LPGs com período 600 pm, distantes 17 cm entre si; diâmetro do taper: 10 pm). A alteração do índice de refração do meio externo altera a relação de fase entre as ondas que protagonizam o fenômeno de interferência (pela alteração do índice de refração efetivo do modo de casca), causando um deslocamento no espectro do interferômetro. A partir deste deslocamento é possível analisar as características do meio externo à fibra. No
8/10 caso da Figura 6, por exemplo, avaliou-se a concentração de etanol dissolvido em água com sensibilidade 690 nm/RIU.
O método de medição de variações de índice de retração proposto consiste em:
a) Inserir uma luz de espectro largo em umas das extremidades do dispositivo sensor descrito;
b) Coletar a luz transmitida em um sistema óptico que permita a análise do deslocamento espectral;
c) Quantificar o deslocamento espectral das franjas de interferência ocasionado pela variação do índice de retração da solução em contato com a fibra óptica.
A sensibilidade do dispositivo é calculada a partir da associação do deslocamento das franjas de interferência em função do índice de refração dos líquidos analisados. Nesse sentido, pode-se fazer uma calibração utilizando-se líquidos com índices de refração conhecidos e, em seguida, medir um conjunto de soluções cujos índices de refração não se conhece.
Resultados obtidos
Utilizando a montagem do interferômetro esquematizada na Figura 4 pudemos medir com alta sensibilidade a concentração de etanol em gasolina. Pela primeira vez, realizou-se uma medida de sensoriamento combinando, em uma configuração interferométrica, redes de período longo mecanicamente induzidas e fibras afinadas. Ademais, diferentemente de sistemas anteriormente reportados - utilizando configurações associando redes de período longo e fibras afinadas -, um taper mais fino (10 pm) foi utilizado.
Tal configuração apresenta, ainda, a propriedade de ser sintonizável no sentido da escolha da distância entre as redes de período longo. Tal distância entre as redes é importante pois quanto mais espaçadas as redes, uma maior quantidade de franjas no espectro do interferômetro é observada propiciando, assim, a realização de uma medida com uma resolução apurada (devido à largura reduzida das franjas). Esta escolha, no entanto, deve levar em conta o intervalo de índice de refração a ser monitorado, pois o
9/10 aumento do número de franjas reduz o intervalo dinâmico do sensor. Há, pois, um compromisso entre resolução e intervalo dinâmico.
A Figura 6 apresenta os espectros obtidos para o caso de o interferômetro atuar como um sensor para a avaliação da concentração de etanol em gasolina comercial. As medidas foram obtidas utilizando-se como fonte de luz um super LED com faixa espectral entre 1450nm a 1650nm. Igualmente, para que esta medida fosse realizada, duas redes de período 600 pm e de comprimento 20 mm foram utilizadas. As redes distavam 41 cm entre si. Tal distância foi escolhida considerando-se o compromisso existente entre resolução e intervalo dinâmico, ou seja, o deslocamento esperado para as franjas e o distanciamento espectral entre as mesmas. Conseguimos, assim, um grande número de franjas no espectro do interferômetro e, por consequência, uma largura reduzida para as franjas de modo a propiciar uma medida com a melhor resolução possível para o intervalo de índice de refração avaliado.
A Figura 7 apresenta a localização de duas franjas interferométricas em função da porcentagem de etanol dissolvido e do índice de refração associado às soluções (estimados com base nas diluições realizadas). A sensibilidade média calculada para o dispositivo foi de 880 nm/RIU. Em termos da concentração de etanol em gasolina tem-se a sensibilidade de 0,78 nm/% de etanol dissolvido em gasolina (sensibilidade esta aproximadamente 22 vezes maior comparada ao caso no qual o taper não é utilizado).
O sensor pode apresentar sensibilidade cruzada com temperatura. Uma maneira de se resolver este problema seria utilizar duas fibras, uma encapsulada e imersa no líquido típico que se deseja medir (e.g. gasolina comercial) e outra submersa na amostra a ser avaliada. Assim, faz-se com que a primeira fibra seja sensível a temperatura com o mesmo coeficiente de sensibilidade que a segunda fibra, porém não será sensível a mudança do meio externo por estar encapsulada. A segunda fibra, por sua vez, será sensível a variação do líquido e temperatura. Assim, analisando a resposta
10/10 obtida para cada fibra pode-se excluir o efeito da temperatura e somente considerar o efeito caudado pela variação de índice de refração.
Claims (5)
1. Sistema óptico para medição de variações de índice de refração caracterizado por
a) Fonte de luz de espectro largo (2) com faixa espectral compatível com o intervalo de comprimento de onda onde se localizam os picos de ressonância das redes gravadas.
b) Dispositivo sensor constituído por uma fibra óptica com região afinada (3) na qual há gravação de duas redes de período longo em série, de modo que a região afinada fique entre as redes.
c) Analisador de espectro óptico para medição de deslocamento espectral (4).
2. Método de medição de variações de índice de refração caracterizado por ser realizado utilizando o sistema, conforme descrito na Reivindicaçao 1, e compreender as seguintes etapas:
a) Inserir luz de espectro largo em umas das extremidades do dispositivo senor constituído por uma fibra óptica com região afinada na qual há gravação de redes periódicas entre a região afinada.
b) Inserir a luz transmitida em um sistema óptico para caracterização da resposta espectral do dispositivo.
c) Quantificar o deslocamento das franjas de interferência na resposta espectral do dispositivo sensor ocasionado pela variação do índice de refração da amostra que interage com o campo evanescente da região afinada da fibra óptica.
3. Uso do sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por medir adulteração em combustíveis líquidos.
4. Dispositivo sensor de variação de índice de refração constituído por fibra óptica caracterizado por conter duas redes de período longo mecanicamente gravadas com periodicidade de 600 pm, comprimento de 20 mm, espaçadas por 41 cm e conter uma região afinada com diâmetro de 10 pm entre as redes de período longo.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por possuir uma sensibilidade média de 880 nm/RIU.
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| BRPI1105063 BRPI1105063B1 (pt) | 2011-11-10 | 2011-11-10 | sensor óptico de alta sensibilidade para avaliação de adulteração de combustíveis empregando redes de período longo e fibras ópticas afinadas |
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