WO2012076936A2 - Sensor de temperatura e/ou intensidade de radiação microondas baseado em redes de bragg em fibra óptica - Google Patents

Sensor de temperatura e/ou intensidade de radiação microondas baseado em redes de bragg em fibra óptica Download PDF

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WO2012076936A2
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Rogério NUNES NOGUEIRA
João DE LEMOS PINTO
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Definitions

  • the present invention relates to a fiber optic sensor for measuring the temperature and / or intensity of the electromagnetic field using a fiber optic Bragg (2) network associated with a microwave radiation sensitive material (3). ).
  • This sensor is obtained by associating with an optical fiber (1), in the region where the Bragg network (2) is recorded, a material (3) which, when absorbing radiation in the microwave range, increases its temperature, varies the their dimensions, or both.
  • the present sensor enables accurate real-time quantitative measurement and mapping of microwave radiation temperatures and / or intensities in environments with high electromagnetic noise, while benefiting from the other advantages of using optical fibers, such as their reduced ones. dimensions and high flexibility.
  • microwave radiation In places of high intensity microwave radiation, such as microwave ovens, energy distribution It depends on several parameters and is therefore difficult to determine the heating pattern.
  • the sensors to be used in these situations must be spot sensors made of materials transparent to microwave radiation so that they do not interfere with the measurement process.
  • US4338595 and US4253092 describe microwave radiation sensors for detecting radiation leakage from microwave ovens and cannot be used inside as they change the distribution and are affected by the high electromagnetic fields within the ovens.
  • One of the simplest methods for evaluating the temperature / radiation intensity distribution inside microwave ovens is to use moistened thermal paper. This paper is coated with a layer of temperature sensitive chemicals that change their color from a certain temperature. In the presence of microwave radiation, the water that moistens the paper will absorb the radiation and raise the temperature, causing the paper to change color in regions that exceed the paper transition temperature, remaining white in the others. The formed pattern thus allows to identify the regions where the radiation intensity is higher.
  • a similar technique is the use of liquid crystal films.
  • these films when the liquid crystals are below a certain temperature they are solid and transparent. When the transition temperature is exceeded, these crystals go to liquid state, with a coloration that depends on the crystals used.
  • the formulation of the liquid crystals it is possible to obtain films with sensitivities at different temperature ranges.
  • IR thermography is the analysis of IR radiation spectra emitted by hot objects using the Planck and Stefan-Boltzman radiation laws.
  • Radiometry in the microwave range is a more complex process but provides information on the distribution of temperatures within the food to a depth of about 4 cm when heated in a microwave oven.
  • Another method for measuring temperatures inside microwave ovens is based on fiber optic sensors. This method is based on the analysis of the fluorescence time after excitation of a compound which coats the tip of one or more optical fibers inside the furnace and whose coating has a temperature-fluorescence time dependence. .
  • Fiber Bragg (FBG or Fiber Bragg Grating) networks have become the key sensor technology in a variety of applications, namely in engineering, biomedicine and industry, due to their versatility and unique advantages in terms of sensitivity and immunity to electromagnetic interference.
  • n eff is the effective refractive index of the core
  • ⁇ is the modulation period of the index
  • the wavelength of a Bragg sensor changes according to the voltage and / or temperature variations felt in the network, this deviation being given by
  • K ⁇ ⁇ K T AT + ⁇ ⁇ ⁇ where typical values for these coefficients in a fiber
  • the present invention describes a microwave range radiation sensing device, characterized in that it comprises a Bragg (2) fiber optic network (1) associated with a material capable of absorbing radiation in the microwave range (3), and transduces the radiation intensity in the microwave range to which it is subjected to a change in Bragg's spectral properties.
  • the The device comprises a Bragg mesh associated with a radiation absorbing material in the microwave range.
  • the present invention further prescribes a device comprising: one or more devices according to the preceding embodiment; one or more interconnected fiber optic sections, one or more types of radiation absorbing material in the microwave range, one or more types of Bragg networks and one or more types of optical fiber.
  • Figure 1 is a schematic representation of a possible implementation of the sensor described in the present invention, wherein reference numerals represent:
  • Fig. 2 shows an example of the serial combination of several of the sensors described in the present invention to map the radiation distribution within a microwave oven, where reference numerals represent:
  • the fiber optic sensor discussed in this invention allows the measurement of temperature and / or intensity of the electromagnetic field using a fiber optic Bragg network associated with a microwave sensitive material.
  • This sensor is obtained by associating with an optical fiber in the region where the Bragg network is recorded, a material that, when absorbing radiation in the microwave range, increases its temperature, varies its dimensions, or both.
  • the sensor approached in this invention is innovative since it takes advantage of one of the main features of Bragg fiber optic networks: immunity to electromagnetic interference, since it combines a microwave sensitive material to the FBG, obtaining a sensor capable of make accurate measurements in environments with high electric and / or magnetic fields, while benefiting from the remaining advantages of using fiber optics such as their small size and high flexibility.
  • the sensor allows to analyze quantitative and real time measurements.
  • a sensor array in accordance with this invention in series and / or in parallel to perform distributed measurements in the area to be analyzed.
  • most methods currently used for temperature monitoring in high radiation locations allow only a qualitative assessment of radiation distribution and / or temperatures, identifying whether or not a given region has exceeded the transition temperature.
  • the methods that allow the quantification of temperatures require complex and expensive experimental setups, which limits their application.
  • FBG has become a key sensor technology in a variety of applications including engineering, biomedicine and industry due to its versatility and unique advantages in terms of sensitivity and immunity to electromagnetic interference.
  • the sensor thus obtained allows real-time measurement and mapping of microwave radiation temperatures and / or intensities in environments with high electromagnetic noise.
  • the present invention may be applied not only to microwave ovens, but also to their development and quality control processes.

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Abstract

A invenção apresentada neste texto refere-se a um sensor de fibra óptica para medição da temperatura e/ou da intensidade do campo electromagnético usando uma rede de Bragg (2) em fibra óptica (1) associada a um material sensível à radiação microondas (3). Este sensor obtém-se associando a uma fibra óptica (1), na região onde se encontra gravada a rede de Bragg (2), um material (3) que, ao absorver radiação na gama das microondas, aumente a sua temperatura, varie as suas dimensões, ou ambos. O presente sensor permite a medição quantitativa e mapeamento, em tempo real e de forma precisa, de temperaturas e/ou intensidades de radiação microondas em ambientes de elevado ruído electromagnético, beneficiando ainda das restantes vantagens da utilização de fibras ópticas, tais como as suas reduzidas dimensões e elevada flexibilidade.

Description

RESUMO
"SENSOR DE TEMPERATURA E/OU INTENSIDADE DE RADIAÇÃO MICROONDAS BASEADO EM REDES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA"
A invenção apresentada neste texto refere-se a um sensor de fibra óptica para medição da temperatura e/ou da intensidade do campo electromagnético usando uma rede de Bragg (2) em fibra óptica (1) associada a um material sensível à radiação microondas (3) .
Este sensor obtém-se associando a uma fibra óptica (1), na região onde se encontra gravada a rede de Bragg (2), um material (3) que, ao absorver radiação na gama das microondas, aumente a sua temperatura, varie as suas dimensões, ou ambos.
O presente sensor permite a medição quantitativa e mapeamento, em tempo real e de forma precisa, de temperaturas e/ou intensidades de radiação microondas em ambientes de elevado ruído electromagnético, beneficiando ainda das restantes vantagens da utilização de fibras ópticas, tais como as suas reduzidas dimensões e elevada flexibilidade .
DESCRIÇÃO
"SENSOR DE TEMPERATURA E/OU INTENSIDADE DE RADIAÇÃO MICROONDAS BASEADO EM REDES DE BRAGG EM FIBRA ÓPTICA"
Descrição do estado da técnica
Ao contrário dos processos de aquecimento tradicionais, onde o calor é transmitido por condução e nos quais facilmente se identificam as regiões de maior ou menor aquecimento, nos locais de elevada intensidade de radiação de microondas, tais como os fornos de microondas, a distribuição de energia depende de diversos parâmetros, sendo portanto difícil de determinar o padrão de aquecimento .
Os sensores a utilizar nestas situações devem ser sensores pontuais, fabricados em materiais transparentes à radiação microondas, de modo a que não interfiram no processo de medição .
A maioria dos sensores actualmente conhecidos não cumpre estes requisitos, pois as antenas e os circuitos electrónicos envolvidos na detecção da radiação interferem na distribuição da mesma. Exemplos disto são os sensores descritos nas patentes US3753116 e US4044303.
As patentes US4338595 e US4253092 descrevem sensores de radiação de microondas, destinados à detecção de fugas de radiação de fornos de microondas, não podendo ser usados no seu interior por alterarem a distribuição, e serem afectados pelos elevados campos electromagnéticos no interior dos fornos. Um dos métodos mais simples para avaliar a distribuição de temperaturas/intensidade de radiação no interior de fornos de microondas consiste na utilização de papel térmico humedecido. Este papel encontra-se revestido por uma camada de químicos sensíveis à temperatura, que mudam a sua coloração a partir de uma determinada temperatura. Na presença de radiação microondas, a água que humedece o papel irá absorver a radiação e aumentar a temperatura, fazendo com que o papel mude de cor nas regiões que ultrapassarem a temperatura de transição do papel, mantendo-se branco nas restantes. 0 padrão formado permite portanto identificar as regiões onde a intensidade de radiação é maior.
Uma técnica semelhante consiste na utilização de filmes de cristais líquidos. Nestes filmes, quando os cristais líquidos se encontram abaixo de uma determinada temperatura apresentam-se no estado sólido e são transparentes. Quando a temperatura de transição é ultrapassada, estes cristais passam para o estado líquido, apresentando uma coloração que depende dos cristais usados. Dependendo da formulação dos cristais líquidos, é possível obter filmes com sensibilidades a diferentes gamas de temperaturas.
Uma abordagem diferente para a avaliação da radiação de microondas consiste na utilização de substâncias padrão, que mudam as suas propriedades (cor, pH, estrutura) após atingirem uma determinada temperatura. Um dos trabalhos usando esta técnica [Rismanm, P. 0., Ohlsson, T. and Lingnert, H. (1993) Models substances and their use in microwave heat studies, SIK report, 588, 1-10] baseou-se na mudança de cor da substância padrão, enquanto que o trabalho descrito em [Whilhelm, M. S. and Satterlee, L. D. (1971) A 3-dimentional method for mapping microwave ovens, Microwave Energy application Newsletter, 4(5), 3] teve como base a coagulação de proteínas com a temperatura.
Os métodos acima descritos, na sua maioria, apenas permitem uma avaliação qualitativa da distribuição de radiação e/ou temperaturas, identificando se uma dada região ultrapassou ou não a temperatura de transição. Existem contudo outros métodos que permitem a determinação de temperaturas nas zonas em estudo. Um desses métodos, designado por termografia de Infravermelhos (IV), consiste na análise dos espectros de radiação IV emitida por objectos quentes, recorrendo às leis da radiação de Planck e de Stefan- Bolt zman .
A radiometria na gama das microondas, é um processo mais complexo, mas permite que se obtenha informação relativa à distribuição de temperaturas no interior dos alimentos, até uma profundidade de cerca de 4 cm, quando aquecidos num forno de microondas.
Outro dos métodos que permite medir temperaturas no interior de fornos de microondas é baseado em sensores em fibra óptica. Este método baseia-se na análise do tempo de fluorescência, após excitação, de um composto que reveste a ponta de uma ou várias fibras ópticas que se encontram no interior do forno, e cujo revestimento apresenta uma dependência entre a temperatura e o tempo de fluorescência.
As redes de Bragg, (FBG ou Fiber Bragg Grating) , têm vindo a assumir-se como tecnologia chave para sensores em diversas aplicações, nomeadamente em engenharia, biomedicina e indústria, devido à sua versatilidade e vantagens únicas em termos de sensibilidade e imunidade a interferências electromagnéticas .
Consistem numa modulação periódica do índice de refracção do núcleo de uma fibra óptica monomodo, provocada pela exposição da fibra a um padrão periódico de luz laser UV. Esta estrutura actua como um filtro óptico, reflectindo uma banda espectral estreita em torno do comprimento de onda de Bragg (λΒ) dado pela condição:
XB=2neffA
onde, neff é o índice de refracção efectivo do núcleo, e Λ é o período de modulação do índice.
Quando sujeito a perturbações externas, o comprimento de onda de um sensor de Bragg altera-se de acordo com as variações de tensão e/ou temperatura sentidas na rede, sendo este desvio dado por
ΑλΒ =KTAT + ΚεΑε onde os valores típicos para estes coeficientes numa fibra
Figure imgf000007_0001
de sílica e na banda C são r =8,6pm/°C e ε=1,2ριη/με.
Sumario
A presente invenção descreve um dispositivo sensor de radiação na gama das microondas, caracterizado por compreender uma rede de Bragg (2) em fibra óptica (1) associada a um material capaz de absorver radiação na gama das microondas (3), e de transduzir a intensidade da radiação na gama de microondas a que está submetido numa alteração das propriedades espectrais da rede de Bragg.
Numa realização preferencial da presente invenção, o dispositivo compreende uma rede de Bragg, associada a um material absorvente de radiação na gama de microondas.
A presente invenção prescreve ainda um dispositivo caracterizado por compreender: um ou mais dispositivos conforme a realização anterior; um ou mais troços interligados de fibra óptica, um ou mais tipos de material absorvente de radiação na gama das microondas, um ou mais tipos de redes de Bragg e um ou mais tipos de fibra óptica.
Descrição dos desenhos
A figura 1 é uma representação esquemática de uma possível implementação do sensor descrito na presente invenção, em que os números de referência representam:
1 - fibra óptica;
2 - rede de Bragg;
3 - material absorvente da radiação microondas.
Na figura 2 observa-se um exemplo da associação em série de vários dos sensores descritos na presente invenção, de modo a mapear a distribuição de radiação no interior de um forno de microondas, em que os números de referência representam:
1 - fibra óptica;
2 - rede de Bragg;
3 - material absorvente da radiação microondas. Descrição detalhada da invenção
0 sensor de fibra óptica abordado neste invento permite a medição da temperatura e/ou da intensidade do campo electromagnético usando uma rede de Bragg em fibra óptica associada a um material sensível à radiação microondas. Este sensor obtém-se associando a uma fibra óptica, na região onde se encontra gravada a rede de Bragg, um material que, ao absorver radiação na gama das microondas, aumente a sua temperatura, varie as suas dimensões, ou ambos .
Em termos de resposta do sensor, a variação de temperatura ou de dimensão é detectada pelo desvio de comprimento de onda de Bragg, tornando-se assim possível calcular a temperatura e/ou a deformação a que o material foi sujeito.
A partir da temperatura e/ou deformação medida pelo sensor, e mediante calibração prévia, torna-se possível calcular as intensidades médias e instantâneas do campo electromagnético no local do sensor.
0 sensor abordado neste invento é inovador, uma vez que tira partido de uma das principais características das redes de Bragg em fibra óptica: a imunidade a interferências electromagnéticas, uma vez que associa à FBG um material sensível à radiação microondas, obtendo um sensor capaz de realizar medições precisas em ambientes com elevados campos eléctricos e/ou magnéticos, e beneficiando ainda das restantes vantagens da utilização de fibras ópticas, tais como as suas reduzidas dimensões e elevada flexibilidade. Por outro lado, o sensor permite analisar medições quantitativas e em tempo real.
Adicionalmente, dadas as possibilidades de multiplexagem no comprimento de onda que as FBGs oferecem, é possível ter um conjunto de sensores de acordo com este invento em série e/ou em paralelo, de modo a realizar medições distribuídas na zona a analisar. Tal como explicado anteriormente, a maioria dos métodos actualmente utilizados para monitorização de temperaturas em locais de elevada radiação permitem apenas uma avaliação qualitativa da distribuição de radiação e/ou temperaturas, identificando se uma dada região ultrapassou ou não a temperatura de transição. Os métodos que permitem a quantificação de temperaturas, exigem setups experimentais complexos e dispendiosos, o que limita a sua aplicação.
As FBG têm vindo a assumir-se como tecnologia chave para sensores em diversas aplicações, nomeadamente em engenharia, biomedicina e indústria, devido à sua versatilidade e vantagens únicas em termos de sensibilidade e imunidade a interferências electromagnéticas.
Devido à sua imunidade à radiação electromagnética, estas podem ser usadas para realizar medições rigorosas em ambientes de elevada radiação electromagnética, sem que a fidelidade dos valores medidos seja afectada pela intensidade da radiação, bastando para tal, associar a um sensor de Bragg um material que traduza a intensidade de radiação noutra grandeza capaz de ser medida pelo sensor de Bragg .
0 sensor assim obtido, permite a medição e mapeamento, em tempo real, de temperaturas e/ou intensidades de radiação microondas em ambientes de elevado ruído electromagnético. A presente invenção poderá ser aplicada não só aos fornos de microondas, mas também aos respectivos processos de desenvolvimento e controlo de qualidade.
Exemplo de implementação

Claims

Na figura 1 é descrito uma possível implementação do sensor .
Este compreende uma fibra óptica (1) na qual se encontra gravada uma rede de Bragg (3), e que está revestida por um material que absorve radiação na gama das microondas, alterando a sua temperatura e dimensões.
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