PT106076A - Sensor óptico baseado em fibras ópticas e materiais híbridos orgânicos-inorgânicos para monitorização do nível de humidade relativa - Google Patents

Abstract

A MONITORIZAÇÃO DA HUMIDADE RELATIVA É DE EXTREMA IMPORTÂNCIA EM APLICAÇÕES COMO MONITORIZAÇÃO DO DANO EM ESTRUTURAS (SHM), INCLUINDO, QUALQUER TIPO DE ESTRUTURAS EM AMBIENTES HÚMIDOS. A PRINCIPAL DESVANTAGEM DOS SENSORES ÓPTICOS COMERCIAIS DISPONÍVEIS RESIDE NA INCAPACIDADE DE QUANTIFICAR OS VALORES DE RH, FORNECENDO, APENAS, UMA INFORMAÇÃO QUALITATIVA, INDICANDO SE O VALOR DE RH ESTÁ ABAIXO OU ACIMA DE UM NÍVEL DETERMINADO LIMITE. ALÉM DISSO, UMA IMPLEMENTAÇÃO EM LARGA ESCALA REQUER SENSORES DE BAIXO CUSTO E PROCESSAMENTO. A PRESENTE INVENÇÃO DESCREVE A PRODUÇÃO DE SENSORES ÓPTICOS DE BAIXO CUSTO CAPAZES DE QUANTIFICAR VALORES DE RH. MATERIAIS HÍBRIDOS ORGÂNICOS-INORGÂNICOS SÃO BONS CANDIDATOS PARA CUMPRIR ESTAS METAS. OS MATERIAIS HÍBRIDOS ORGÂNICOS-INORGÂNICOS PROPOSTOS APRESENTAM VARIAÇÃO DA SUA TRANSPARÊNCIA, NA REGIÃO DO VISÍVEL, EM FUNÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE ÁGUA PRESENTE, PODENDO SER USADOS COMO ELEMENTO TRANSDUTOR EM SENSORES DE FIBRA ÓPTICA, QUE COMPREENDEM NÚCLEO CONTENDO O HÍBRIDO (11); BAINHA (12); E RECOBRIMENTO (13).

Description

DESCRIÇÃO "Sensor óptico baseado em fibras ópticas e materiais híbridos orgânicos-inorgânicos para monitorização do nível de humidade relativa"

Domínio técnico da invenção A presente invenção diz respeito à utilização de sensores ópticos baseados em materiais hibridos orgânicos- inorgânicos para a monitorização de valores de humidade relativa.

Sumário da invenção É um dos objectivos da presente invenção a monitorização de valores de humidade relativa, usando sensores ópticos baseados em materiais hibridos orgânicos-inorgânicos produzidos a baixo custo. A presente invenção é útil para monitorização da humidade relativa de forma simples e com baixo custo de implementação. A solução proposta tem aplicação na monitorização de estruturas de engenharia civil (edifícios, pontes, barragens, monumentos) e em instalações onde o uso de sensores electrónicos pode ser condicionado pelo alto nivel de radiação electromagnética, onde o nivel de radiação poderá perverter o sinal medido por sensores convencionais electrónicos. A solução proposta apresenta as vantagens intrínsecas da monitorização óptica como imunidade a interferências electromagnéticas, isolamento eléctrico e menores perdas na transmissão, reduzindo a necessidade de vários cabos pesados. Outra vantagem reside no facto de que a informação está codificada no domínio óptico, permitindo a sua 1 utilização em ambientes hostis, onde as correntes eléctricas de dispositivos electrónicos podem representar um perigo. A utilização de materiais hibridos orgânicos-inorgânicos acrescenta a vantagem de facilidade de processamento e baixo custo de produção. Os materiais propostos apresentam variação da sua transparência, na região do visível, em função da concentração de água presente, podendo ser usados como elemento transdutor em SFO.

Descrição geral da invenção

Os sensores de fibra óptica (SFO) estão entre as mais promissoras tecnologias de monitorização devido às vantagens que apresentam relativamente aos sensores electrónicos. Em particular, imunidade a interferências electromagnéticas, isolamento eléctrico, menores perdas na transmissão, possibilidade de multiplexar um grande número de parâmetros numa mesma fibra, reduzindo a necessidade de vários cabos pesados, usados em sistemas electrónicos de detecção tradicionais. Outra vantagem reside no facto de que a informação está codificada no domínio óptico, permitindo a sua utilização em ambientes hostis, onde as correntes eléctricas de dispositivos electrónicos podem representar um perigo. 0 parâmetro a monitorar nesta proposta é a Humidade Relativa (RH) . A monitorização da RH é de extrema importância em aplicações como monitorização do dano em estruturas (SHM), incluindo, qualquer tipo de estruturas em ambientes húmidos (por exemplo, construções subterrâneas, estruturas oceânicas) . A principal desvantagem dos sensores ópticos comerciais disponíveis reside na incapacidade de quantificar os valores de RH, fornecendo, apenas, uma informação qualitativa, indicando se o valor de RH está abaixo ou acima de um nível 2 determinado limite. Além disso, uma implementação em larga escala requer sensores de baixo custo e processamento. Neste contexto, uma janela de oportunidades está aberta para a produção de sensores ópticos de baixo custo capazes de quantificar valores de RH. Materiais hibridos orgânicos-inorgânicos são bons candidatos para cumprir estas metas. Os materiais hibridos orgânicos-inorgânicos propostos apresentam variação da sua transparência, na região do visivel, em função da concentração de água presente, podendo ser usados como elemento transdutor em SFO.

No desenvolvimento do sensor de óptico é necessário ter em consideração a arquitectura do sistema de medida. Uma representação das configurações mais utilizadas em sensores baseados em fibras ópticas é mostrada na Figura 1. Destacam-se 4 configurações, todas elas baseadas nas propriedades de transmissão, reflexão ou espalhamento do sinal óptico no material transdutor.

Esta proposta baseia-se na utilização de um material hibrido orgânico-inorgânico, designado por tri-ureasil, que na presença de valores crescentes de humidade relativa, diminui a sua transmissão de luz visivel, passando de transparente a opaco. A dependência da absorção em função dos niveis de humidade relativa perspectiva novas funcionalidades de monitorização óptica. Os sensores ópticos baseados em fibras ópticas podem ser construídos, a partir de uma significativa variedade de fibras ópticas caracterizadas por valores baixos de atenuação e largura espectral considerável, em conjunto com diversas fontes de luz, detectores e componentes ópticos. A selecção da fibra óptica a utilizar depende da natureza da aplicação e da 3 temperatura de operação, conforme ilustrado na Tabela 1, e conhecido do estado da técnica.

Tabela 1 - Algumas propriedades de fibras ópticas usadas em sensores (T. Valis, D. Hogg, and R.M. Measures, in Proc. SPIE, Vol. 1370, p. 154, 1990) .

Propriedade Calcogeneto Fluoreto Safira AgBr/Cl Silica PMMA Comprimento de Onda (pm) 3-10 0,5-4,3 0,2-4 3,3-15 0,2-4 0,4-0,8 Atenuação (dB.m) 0, 5-6 0,02-2,6 20-3 0,7-10,6 0,2-1,5 0,1-0,6 índice de Refração 2,9 1,51 1,7 2,0 1,458 1,492 Temperatura Máxima de Operação (°C) 300 250 >1500 400 800 80 Custo por Metro (US$) 102 1020 340 ~1 * <1 Densidade (kg.nf3) 4400 4610 3970 2200 1190 Módulo de Young (GPa) 21 56 414 73 3.3 Coeficiente de Expansão Térmica (K_1) 14xl0~6 18,7xl0~6 8,8xl0“6 0, 54xl0~6 260xl0“6

Numa das realizações, o sensor de humidade relativa proposto recorre à utilização de fibras poliméricas (à base de acrilato, PMMA), para redução de custos e por ser menos frágil (minimizando danos por manipulação). O tri-ureasil utilizado como transdutor no sensor óptico de humidade relativa é obtido via sol-gel a partir do sol de seu precursor, denominado t-UPTES 5000. A síntese parte de uma solução contendo isocianato-propil-trietoxisilano (ICPTES), a triamina (por exemplo Jeffamine 5000 ou Jeffamine T 403, Jeffamine T 3000, XTJ - 509) e tetrahidrofurano (THF, como solvente comum, ou geralmente éter dietilico, etanol, metanol, n-propanol, iso-propanol, butanol, t-butanol, água e qualquer solvente hidroxílico) 4 num sistema de refluxo, condições indicadas para acelerar e garantir o rendimento da reacção e evitar a formação de sais de Jeffamine quando se utiliza a sintese a frio com ácidos carboxilicos. A proporção molar entre o ICPTES e a Jeffamine 5000 é de substancialmente 3:1, mais geralmente 1:1 a 3:1, enquanto o solvente é introduzido em excesso. A reacção de adição do ICPTES à tri-amina processa-se a aproximadamente 82°C, preferencialmente de 10 minutos a 24 horas, em particular durante 18 horas, sob agitação magnética e refluxo. Geralmente, a faixa de temperatura pode ser de 66 a 85°C para THF (baixo de 66°C não há ebulição do solvente e acima pode oxidar a Jeffamine, mas dependendo do solvente utilizado, pode-se adoptar uma faixa de temperatura de 30 a 100°C. Após esse período, a suspensão obtida é transferida para um evaporador rotativo onde se procede à extracção do THF. Essa etapa ocorre a 60°C, ou consoante o caso de outros solventes numa faixa de temperatura de 20 a 100°C, e sob vácuo. O evaporador rotativo é indicado devido ao aumento de viscosidade do material aquando da eliminação do solvente, mas é adequado qualquer processo para remoção de solvente que envolva simultaneamente redução da pressão atmosférica e aquecimento. No final, a suspensão viscosa do precursor (denominado de tri-ureapropil-trietoxisilano, ou t-UPTES) é armazenada em frasco de vidro e sob refrigeração de 10°C. Um esquema desse procedimento é apresentado na Figura 2.

Para a obtenção dos xerogeis do tri-ureasil, à suspensão de t-UPTES adiciona-se etanol na proporção massa:volume de 1:3, ou mais geralmente de 1:0 a 1:50. Como catalisador, utiliza-se uma solução de HC1 2M (em etanol) na proporção de 20:1 (volume total da suspensão:volume de solução 2M de HC1) . 5

Como exemplo de aplicação, vamos detalhar a construção do sensor baseada na arquitectura de retro-espalhamento. 0 transdutor de tri-ureasil será introduzido no núcleo oco de uma fibra, por ex. polimérica (PMMA) do tipo fotónica (PHF holey fiber) . A utilização deste tipo de fibras proporciona redução de custos e aumento da resistência mecânica, em comparação às fibras de silica. Além disso, esta arquitectura de detecção minimiza os problemas decorrentes da fixação do transdutor na ponta da fibra, como mostrado nos exemplos da Figura 1. Um esquema da arquitectura utilizando PHF com núcleo parcialmente preenchido com o tri-ureasil é apresentado na Figura 3. 0 sol é transferido (após diluição e adição do catalisador) para o núcleo da fibra por sucção. A fibra é mantida em posição vertical, durante o tempo minimo de 2 horas, para garantir a transição sol-gel sem a ocorrência de bolhas, como esquematizado na Figura 4.

Como mencionado anteriormente, a utilização de PHF é atraente para a detecção em ambientes agressivos devido ao menor módulo de Young, valor de indice de refracção (1,492) similar em comparação com as fibras de SÍO2 (1,458) e baixo custo.

Apesar da arquitectura de retro-espalhamento, em PHF por ex., ser o foco até este ponto, a utilização do tri-ureasil como transdutor em outras arquitecturas e fibras de outra natureza faz, também, parte das revindicações da presente proposta. Nomeadamente, as demais arquitecturas são as apresentadas na Figura 1.

No caso em que a arquitectura do sensor se baseie na transmissão, um ou mais filmes finos em substratos ou um 6 monólito de tri-ureasil são posicionados entre as extremidades de duas fibras que propagam o sinal luminoso. Um esquema representativo do sistema é mostrado na Figura 5.

No caso da arquitectura se basear na reflexão, filmes finos ou monólitos serão, também, utilizados. Neste caso, os núcleos das fibras estarão em posição paralela ou angular e o(s) filme(s) ou monólito será(ão) posicionado(s) na saida do sinal luminoso, como esquematizado na Figura 6.

Finalmente, se a arquitectura for do tipo campo evanescente, a fibra será recoberta por um filme fino ou espesso do tri-ureasil numa realização numa extensão não inferior a lmm. Caso a fibra possua recobrimento protector (e.g. PMMA) este será removido para que o filme de tri- ureasil tenha contacto directo com a bainha da fibra. Caso se trate de uma fibra polimérica, esta receberá a camada de filme directamente sobre sua superfície. Um esquema representativo do sistema é mostrado na Figura 7.

Descrição das Figuras

Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais do invento que, contudo, não pretendem, limitar o objecto da presente invenção.

Figura 1: Arquitecturas de sensores de espécies químicas: (A) Transmissão - (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3)

Foto-detector; (4) Moléculas de tri-ureasil. (B) Reflexão - (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3) Foto- detector; (4) Moléculas de tri-ureasil. 7 (C) Retro-espalhamento - (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3) Foto-detector; (4) Moléculas de tri-ureasil; (5) Transdutor, (6) Lente Convergente. (D) Campo Evanescente - (1)Fibra; (2) Fonte de Luz; (3)

Foto-detector; (4) Moléculas de tri-ureasil; (5) Transdutor.

Figura 2: Esquema de sintese do precursor d-UPTES: (Sl) Sistema de refluxo; (S2) Condensador de Refluxo; (S3) Entrada e Saida de Água; (S4)Solução de Isocianotopropil-trietoxisilano e Jeffamine© 5000 em Tetrahidrofurano; (S5)Balão de Fundo Redondo; (S6) Barra Magnética; (S7)Banho de Óleo; (S 8) Placa de Aquecimento e Agitação; (S9)

Evaporador Rotativo para Eliminação do Tetrahidrofurano; (S10) Armazenamento em Frasco de Vidro.

Figura 3: Esquema do SFO proposto utilizando fibra PHF: (11) Núcleo contendo o híbrido; (12) Bainha; (13) Recobrimento.

Figura 4: Esquema de aplicação do híbrido tri-ureasil no núcleo da fibra. (1) Fibra; (22) Núcleo Oco; (23) Vácuo; (24) Sol Híbrido; (25) Vedação; (26) Híbrido; (27) Suporte.

Figura 5: - Arquitectura de sensor de RH por transmissão utilizando filmes finos ou monólito de tri-ureasil: (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3) Fotodetector; (41) Filmes

Finos Contendo tri-Ureasil; (42) Monolito de tri-Ureasil.

Figura 6: Arquitectura de sensor de RH por reflexão utilizando filmes finos ou monólito de tri-ureasil: (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3) Fotodetector; (41) Filmes

Finos Contendo tri-Ureasil; (42) Monolito de tri-Ureasil.

Figura 7: Arquitectura de sensor de RH por campo evanescente utilizando filmes finos ou espessos de tri-ureasil: (1) Fibra; (2) Fonte de Luz; (3) Fotodetector; (43) Filme de tri-Ureasil.

Figura 8: Esquema da preparação do sensor de tri-ureasil com fibras de PMMA em arquitectura por transmissão: (31) Fibra PMMA; (32) Molde; (33) Precursor t-UPTES; (34) Gelificação; (35) Secagem em Estufa - por ex. 48h a 40°C e 24h a 50°C; (36) Transdutor de Xerogel de t-U5000.

Figura 9: Dependência do valor de transmissão para diferentes valores de humidade relativa. A linha representa o melhor ajuste linear caracterizado por um declive de l,76xl0~3 e uma ordenada na origem de 0,97. O gráfico inserido mostra o resíduo e o valor de chi2 para uma melhor avaliação da qualidade do ajuste.

Descrição detalhada da invenção

Apresentada a título de exemplo, um sistema baseado em arquitectura de transmissão foi ensaiado em laboratório. Duas fibras ópticas de PMMA foram inseridas num molde onde, posteriormente, foi introduzido o sol precursor do tri-ureasil. Após a transição sol-gel, o xerogel formado mantém as fibras unidas e alinhadas. O sensor foi imobilizado num frasco onde foram simulados ambientes com valores conhecidos de humidade relativa. Uma variante do circuito de detecção baseia-se num díodo emissor de luz a emitir na região espectral do visível, sendo a detecção efectuada por um fotodíodo. Nesta situação, a intensidade do sinal detectado é inversamente proporcional aos diferentes valores de humidade relativa. Numa outra variante a fonte 9 óptica é um emissor de espectro largo na região do visível, sendo a detecção efectuada por um espectrómetro. Nesta situação, a intensidade integrada do sinal detectado é proporcional aos valores de humidade relativa. Como exemplo de funcionamento, a implementação descrita na Figura 5 foi usada para medir diferentes níveis de humidade relativa (0, 33, 52 e 91 %) . A Figura 9 mostra a dependência da intensidade integrada do espectro de transmissão em função do nível de humidade relativa. Para níveis de humidade relativa na gama 0-91 %, a resposta do sensor é descrita por uma função linear.

Exemplos de aplicação A solução proposta tem aplicação na monitorização de estruturas de engenharia civil e em instalações onde o uso de sensores electrónicos pode ser condicionado pelo alto nível de radiação electromagnética, onde o nível de radiação poderá perverter o sinal medido por sensores convencionais electrónicos.

As reivindicações anexas descrevem realizações particulares da presente invenção.

Lisboa, 21 de Dezembro de 2012 10

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Sensor óptico para medida de humidade relativa que compreende fibra óptica (1) caracterizado por compreender tri-ureasils no caminho óptico seleccionado entre um ou mais de: entrada, saida, e/ou permeio da referida fibra óptica (1).
2. 2. Sensor de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a referida fibra óptica (1) ser uma fibra polimérica fotónica do tipo holey fiber, cujo núcleo compreende parcialmente material hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasils.
3. 3. Sensor de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por compreender um filme de hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasils posicionado de forma a reflectir o sinal da referida fibra óptica (1).
4. 4. Sensor de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por compreender um filme de hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasil, depositado na superfície corroída da referida fibra óptica (1).
5. 5. Método de fabrico de sensor óptico para medida de humidade relativa caracterizado por compreender o passo de dispor tri-ureasils no caminho óptico de uma fibra óptica (1) seleccionado entre um ou mais de: entrada, saída, e/ou permeio da referida fibra óptica (1).
6. 6. Método de acordo com a reivindicação 5 caracterizado por a referida fibra óptica (1) ser uma fibra polimérica fotónica do tipo holey fiber, cujo núcleo compreende 1 parcialmente material hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasils.
7. 7. Método de medida de humidade relativa caracterizado por compreender fazer reflectir o sinal da referida fibra óptica (1) através de um filme de hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasils, pelo sensor óptico de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
8. 8. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por compreender fazer passar o sinal da referida fibra óptica (1) através de um filme de hibrido orgânico-inorgânico baseado em tri-ureasil, depositado na superfície corroída da referida fibra óptica (1). Lisboa, 21 de Dezembro de 2012 2