WO2018138649A2

WO2018138649A2 - Dispositivo e método para medição da distribuição espacial da concentração de compostos e das suas misturas num fuido e/ou do nível num fluido

Info

Publication number: WO2018138649A2
Application number: PCT/IB2018/050428
Authority: WO
Inventors: Mário Nuno DE MATOS SEQUEIRA BERBERAN E SANTOS; Liliana MARQUES MARTELO
Original assignee: Instituto Superior Técnico
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2018-08-02
Also published as: WO2018138649A4; PT109877A; US11525780B2; US20200003687A1; CN110234983A; EP3623799A2; WO2018138649A3

Abstract

A invenção refere-se a um método para medição da concentração de uma substância ou mistura de substâncias e/ou determinação do nível num fluido com fluorescência intrínseca, preferencialmente sistemas de combustível. A invenção refere-se ainda ao dispositivo ótico adequado para implementar o método, que compreende uma unidade onde se gera luz de excitação da amostra; uma unidade de deteção do sinal emitido pela amostra e uma unidade de processamento de sinal. O dispositivo e método por ele implementado permitem ainda determinar a distribuição espacial da substância ou mistura de substâncias líquidas e/ou o nível do fluido num reservatório. Uma das principais aplicações é a medição da concentração de oxigénio em tanques de combustível de aeronaves, baseada na medição da fluorescência intrínseca do combustível.

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA MEDIÇÃO DA DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DA CONCENTRAÇÃO DE COMPOSTOS E DAS SUAS MISTURAS NUM FUIDO

E/OU DO NÍVEL NUM FLUIDO

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção insere-se no domínio da medição da concentração de compostos e das suas misturas em fluidos e/ou do nível de fluidos, em particular a dispositivos e métodos para a medição e/ou monitorização da distribuição espacial da concentração e do nível de uma determinada substância ou de uma mistura de várias substâncias. Mais especificamente, a invenção diz respeito a dispositivos e métodos para a medição e a monitorização da concentração de oxigénio e/ou do nível de um fluido com fluorescência intrínseca, preferencialmente em sistemas de combustível .

Mais particularmente, embora não exclusivamente, a presente invenção pode encontrar aplicação específica na indústria aeroespacial, por exemplo em sistemas de combustíveis para aviões de jato, para monitorizar a concentração de oxigénio dissolvido em combustível de jato (jet fuel) ou presente no volume livre (ullage) de um tanque de combustível de jato e para medir o seu nível no tanque de combustível.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Os incêndios e as explosões em tanques de combustível são uma das principais causas de acidente em aeronaves. Nestas, o combustível contém geralmente ar dissolvido, e consequentemente o combustível contém tipicamente algum oxigénio dissolvido. O ar também está presente no volume livre existente entre o nível do combustível e o cimo do tanque. A quantidade de oxigénio dissolvido no combustível diminui com a pressão, e à altitude de cruzeiro (baixas pressões), o oxigénio é desgaseifiçado do combustível. A mistura combustível-ar existente no volume livre do tanque é suscetível de ignição durante o voo, podendo esta resultar de avarias de equipamento ou de ataques externos . As explosões de tanques de combustível são o resultado de deflagrações no volume livre quando a sobrepressão de combustão gerada excede a resistência estrutural do tanque. Os sistemas de proteção para tanques de combustível de aeronaves são extremamente necessários para eliminar ou reduzir significativamente a sua exposição a vapores inflamáveis. As tecnologias de inertização do tanque de combustível seguem o preceito de proteção que consiste em manter a concentração de oxigénio no volume livre abaixo do limite de deflagração, mantendo- se assim a segurança do tanque durante todo o voo.

Para a conceção de aeronaves modernas, as normas americana e europeia para a concentração de oxigénio no volume livre impõem um valor inferior a 9% para as aeronaves militares e inferior a 12% para as comerciais (W. N. Cavage, Federal Aviation Administration, 2005, Report No.: DOT/FAA/AR-05/25) . 0 tanque é considerado inerte pela EASA (European Aviation Safety Agency) e pela FAA {Federal Aviation Administration) quando a concentração média de oxigénio dentro de cada compartimento do tanque é de 12% ou menos, desde o nível do mar e até aos 10.000 pés de altitude, e aumentando linearmente dos 12% a 10.000 pés para os 14,5% aos 40.000 pés de altitude; acima dessa altitude a concentração média de oxigénio é extrapolada também linearmente (European Aviation Safety Agency, Certification Specifications for Large Aeroplanes CS-25, Amendment 6, 2009 e Federal Aviation Administration: Part III Department of Transportation, Regulation 73 (140), 42444, 2008) .

Existem várias tecnologias para a inertização de tanques de combustíveis que foram desenvolvidas nos últimos anos, tais como: espuma de supressão de explosão, sistema de extinção de Halon, sistema de nitrogénio líquido, sistema de geração de gás inerte a bordo (On Board Inert Gas Generation System, OBIGGS), etc. (C. Yan, B. Xueqin, L. Guiping, S. Bing, Z. Yu, L. Zixuan, Chin. J. Aeronaut., 2015, 28, 394-402) .

O sistema OBIGGS é a tecnologia de bordo mais utilizada. Nas aeronaves equipadas com OBIGGS, os tanques de combustível são inertizados com ar enriquecido em nitrogénio {Nitrogen Enriched Air, NEA) gerado durante o voo. O gás inerte (NEA) é produzido com ar comprimido gerado pela própria turbina {bleed air) , que é passado por um módulo de separação {Air Separation Module, ASM) , normalmente constituído por membranas de fibras ocas. Este módulo divide o ar numa parte rica em oxigénio, dióxido de carbono e vapor de água, que é descarregada para a atmosfera, e noutra, rica em nitrogénio, que é o gás inerte NEA (R. Cherry, K. Warren, Federal Aviation Administration 1999; Report No . : DOT/FAA/AR-99/73 and W. M . Cavage, 0. Kils, Federal Aviation Administration 2002; Report No.: DOT/FAA/AR-02/51 ) . Um sensor capaz de monitorizar em tempo real a concentração de oxigénio em sistemas de combustível ou nos tanques de combustível significaria a possibilidade de otimizar o funcionamento do OBBIGS, reduzindo deste modo o seu desgaste bem como o consumo de combustível.

Uma tecnologia já estabelecida para estimar a concentração de oxigénio em gases e líquidos é a medição eletroquímica . 0 sensor é constituído por uma célula eletroquímica possuindo um ânodo e um cátodo mergulhados numa solução eletrolítica . A célula eletroquímica é separada por uma membrana da amostra de gás ou líquido cu a concentração de oxigénio se pretende medir. 0 oxigénio da amostra difunde através da membrana na célula eletroquímica para se estabelecer um equilíbrio, sendo este equilíbrio proporcional à concentração de oxigénio. Uma alteração na concentração de oxigénio no eletrólito provoca uma alteração nas suas propriedades elétricas, resultando numa alteração da corrente elétrica através do sistema. A corrente é proporcional à concentração de oxigénio no eletrólito. Os limites operacionais e a sensibilidade do sensor são definidos pelos eletrólitos utilizados. Contudo, os eletrólitos comuns não são adequados para temperaturas extremas de funcionamento. Em particular, não são adequados para as baixas temperaturas encontradas em aplicações de aviação. Além disso, este método requer a utilização de peças metálicas dentro do tanque, o que aumenta o risco de deflagração devido à possibilidade de faíscas.

Uma outra tecnologia proposta na U.S. Pat . No. 5,919,710 (Gord et al . ) refere-se à medição do oxigénio dissolvido no combustível através da dopagem do combustível com um luminóforo e na posterior medição da fosforescência deste luminóforo, quando excitado por um impulso de luz laser. A concentração de oxigénio está relacionada com o tempo de vida da radiação emitida pelo luminóforo. Um tal método não pode, contudo, ser visto como um método viável e prático de medição de concentrações de oxigénio no combustível em aplicações aeroespaciais, uma vez que a dopagem em massa de combustíveis com tais luminóforos seria impraticável .

Mais recentemente, foram desenvolvidos sensores de oxigénio para tanques de combustível de aviões, nos quais a concentração de oxigénio é monitorizada por meio de um sensor contendo uma substância luminescente . 0 oxigénio atenua a luminescência dessa substância e, portanto, a concentração de oxigénio pode ser determinada pela medição da luz emitida pelo material luminescente .

A patente WO 03/046422 descreve um desses sistemas, no qual a concentração de oxigénio num tanque de combustível de aeronave é monitorizada utilizando um material contendo um complexo luminescente de ruténio.

O documento da patente US 2006/0171845A-1 descreve a utilização de tetraquis (pentafluorofenil ) porfirina de platina (II) como composto fosforescente, que se encontra incorporado numa matriz polimérica fluorada amorfa, e que serve para a deteção de oxigénio num tanque de combustível de avião. Para ser adequado e viável para utilização em depósitos de combustível de aeronaves, o material luminescente deve ser capaz de suportar as baixas temperaturas atingidas durante o voo, por exemplo -50 °C. Além disso, é desejável que o dispositivo seja fiável e tenha uma vida útil de vários anos, propriedades estas que ainda não se encontram demonstradas por nenhuma tecnologia.

Por último, os materiais utilizados devem ser compatíveis com as exigências da aviação, nomeadamente que a potência ótica não exceda 5 mW/mm² (com um limite intrínseco de segurança de 35 mW) , conforme especificado na norma ótica IEC 60079-28:2015.

De acordo com o exposto, existe a necessidade de desenvolver um método de medição da concentração de oxigénio em sistemas de combustível que seja capaz de suportar toda a gama de temperaturas durante o voo, seja fiável, tenha uma vida útil de vários anos, ausência de peças metálicas no interior do tanque de combustível e que permita otimizar o funcionamento do sistema OBBIGS, reduzindo deste modo o seu desgaste, bem como o consumo de combustível .

Verificou-se, com o método e dispositivo que implementa o método da presente invenção, que é possível avaliar a distribuição espacial da concentração de uma determinada substância ou de uma mistura de várias substâncias num fluido. Em particular, a presente invenção permite monitorizar a concentração de oxigénio nos tanques de combustível de aviação utilizando intensidade de luminescência ou o tempo de vida de fluorescência do próprio combustível. O principio de funcionamento de um sensor ótico baseia-se na mudança de pelo menos uma propriedade ótica de uma determinada sonda (por exemplo: absorção, luminescência, índice de refração) na presença de um analito. Essa mudança é registada no dispositivo e proporciona uma informação qualitativa sobre a presença ou não do analito, bem como quantitativa, permitindo determinar a concentração desse mesmo analito. Uma resposta baseada numa mudança ótica oferece inúmeras vantagens em sensores. Utilizando uma instrumentação muito sensível como a de luminescência, é possível determinar concentrações muito baixas de analito. A resposta obtida é muitas vezes rápida, reversível e de fácil miniaturização .

Um sensor ótico pode ser definido como um dispositivo que reage a um sinal externo (ao analito) gerando um sinal ótico mensurável e reversível. A reversibilidade do sinal é um parâmetro importante uma vez que desejado é termos medidas contínuas e muitas vezes em tempo real .

O funcionamento dos sensores óticos baseia-se no efeito do analito sobre os processos de absorção, difusão e emissão de luz. Uma vez que a radiação electromagnética possuiu várias propriedades mensuráveis tais como o comprimento de onda, intensidade, polarização e fase, é possível medir e relacionar qualquer mudança que ocorre nessas propriedades com a concentração do analito que pretendemos detectar. A absorção e a luminescência são os fenómenos mais usados em sensores óticos. As medidas de luminescência são mais sensíveis do que as obtidas por variação de absorção, chegando a limites de detecção de cerca de 10^~15 mol dnr³. A intensidade e a resposta temporal da luminescência são geralmente os parâmetros usados para a detecção de um determinado analito, contudo outros parâmetros podem ser explorados como a polarização e alterações na forma e posição dos espectros.

Convencionalmente, a medição do nível de um líquido num reservatório ou depósito é feita através de uma boia flutuadora acoplada mecanicamente ou magneticamente a um medidor externo, um transdutor de ultrassom ou ótico que mede o nível de líquido, ou então recorrendo a um sensor de capacitância que monitoriza a alteração na constante dielétrica entre as placas de um condensador resultante de uma mudança no nível do líquido. Estes métodos requerem, contudo, a utilização de peças metálicas dentro do depósito ou do reservatório aumentando desse modo o risco de deflagração/explosão devido à possibilidade de faíscas que irá depender da natureza da substância ou da mistura constituída por várias substâncias de interesse a determinar .

O uso de fibras óticas para deteção de nível em líquidos está também bem documentado. As principais vantagens deste tipo de sensores para a medição de níveis de um líquido são a sua passividade, isto é, não conterem partes mecânicas móveis e as suas propriedades dielétricas intrínsecas, o que significa que não há risco de faíscas/deflagrações quando utilizados em combustíveis líquidos e praticamente nenhuma interferência eletromagnética . As configurações mais comuns usam prismas pequenos montados no final de duas fibras óticas, uma ponta de fibra ótica em forma cónica ou uma fibra ótica dobrada em forma de U. Em todos os casos, a sonda ou o sensor de fibra ótica é suspenso ou desenhado para se deslocar dentro do depósito. Este sensor é potencialmente frágil e sujeito a danos causados por detritos flutuantes, vibrações ou efeitos dinâmicos durante o enchimento. O dano potencial é maior havendo manutenção de rotina do sensor devido a incrustações biológicas ou químicas na superfície ótica.

Os sensores com fibras óticas descritos anteriormente são principalmente utilizados para a medição do nível de um líquido de um modo rudimentar, isto é, para detetar se o depósito está vazio, cheio ou com o nível em algum ponto intermédio. É necessário um número demasiado grande de tais sensores para uma medida contínua de nível de um líquido, o que os torna impraticáveis para uma medida contínua do nível de um líquido num depósito.

Outros sensores para medição do nível de um líquido usam uma fibra ótica dopada com uma sonda fluorescente. Esta tem com principal função absorver e reemitir a luz proveniente de uma fonte de radiação presente no ar. A luz é refratada quando um fluido de maior índice de refração está presente no depósito e desse modo o sinal de saída traduz o nível de fluido. Contudo essa dopagem da fibra ótica com uma sonda fluorescente geralmente, e dependendo do líquido a medir, sofre de lixiviação e terá que ser renovada frequentemente.

A medição de distâncias com métodos óticos ativos está bem estabelecida, quando se deteta radiação proveniente de uma fonte de radiação pulsada ou modulada em frequência, após reflexão pelo alvo, que pode ser a superfície de um líquido. A distância é determinada a partir do tempo decorrido entre a excitação e a deteção, no caso da excitação pulsada, ou a partir do desfasamento resultante, no caso de excitação modulada em frequência. Este método permite determinar o nível de líquido num depósito estático. No entanto, quando a superfície do líquido é má refletora, quer por absorver praticamente toda a radiação incidente, quer por a difundir em várias direções, como sucede com um líquido agitado, o método pode ser inadequado, por o sinal de retorno ser errático e/ou demasiado fraco.

A medição da fluorescência intrínseca do líquido, após excitação ótica pela fonte de radiação, permite ultrapassar estes problemas, medindo-se agora o sinal de fluorescência proveniente do líquido, também por qualquer dos dois métodos referidos.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um método para a medição da concentração de uma substância ou mistura de substâncias num fluido com fluorescência intrínseca, preferencialmente em sistemas de combustível. A invenção refere-se ainda ao dispositivo ótico adequado para implementar o dito método, e que compreende uma unidade de excitação da amostra na qual se gera luz de excitação; uma unidade de deteção do sinal emitido pela amostra e uma unidade de processamento de sinal.

O dispositivo e método por ele implementado permitem ainda determinar o nível e a distribuição espacial em que se encontra a substância ou a mistura de substâncias líquidas num determinado reservatório ou depósito.

Em particular, a presente invenção refere-se a um método ótico e respetivo dispositivo que implementa o método para a medição e/ou monitorização da distribuição espacial da concentração de oxigénio em sistemas de combustível e/ou para a determinação do nível de combustível, sendo uma das aplicações a medição da concentração de oxigénio em tanques de combustível de aeronaves a ato. A fim de mitigar pelo menos alguns dos problemas acima mencionados, a presente invenção proporciona um método para monitorizar a concentração de oxigénio dissolvido num combustível ou a concentração de oxigénio na fase gasosa presente no volume livre existente acima do combustível de jato, num tanque.

O método é adequado para as baixas temperaturas encontradas em aplicações de aviação e, de facto, aplica-se em toda a gama de temperaturas, desde cerca de 50 °C até cerca de -50 °C encontradas nestas aplicações.

Conforme detalhado acima, a presente invenção insere-se na problemática da medição da concentração de oxigénio e do nível de combustível em sistemas de combustível, e possibilita uma solução capaz de suportar toda a gama de temperaturas durante o voo, é fiável, tem uma vida útil de vários anos, não requer peças metálicas no interior do tanque de combustível e permite otimizar o funcionamento do sistema OBBIGS, reduzindo deste modo o seu desgaste, bem como o consumo de combustível.

A presente invenção tem o benefício de utilizar uma tecnologia ótica num ambiente rico em combustível. Em contraste, tecnologias alternativas podem exigir o uso de energia elétrica, peças metálicas e fios condutores de eletricidade . Isto pode introduzir um risco extra de ignição no sistema de combustível. O presente método funciona sem qualquer corrente elétrica nas regiões em que existe combustível líquido ou na forma de vapor.

As vantagens da presente invenção referem-se ao facto de os sensores utilizados serem comuns e de baixo custo. Os sensores que constituem a presente invenção são menos perigosos do que os sensores convencionais; são desprovidos de componentes elétricos; não estão em contacto direto com a mistura onde se pretende avaliar a distribuição espacial da concentração de compostos ou outros parâmetros e têm custo baixo sendo facilmente acessíveis. Estes sensores são, portanto, económicos e satisfazem as exigências regulatórias e de segurança.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

FIG. 1: Espetros de emissão do combustível Jet A-l na presença (linha tracejada) e ausência (linha contínua) de oxigénio (combustível saturado em N2) , obtido com excitação ao comprimento de onda de 300 nm.

Fig. 2: Gráfico do tempo de vida relativo para as amostras desoxigenadas (dois lotes diferentes de combustível Jet A-l) em estudo, a diferentes temperaturas. i2o é o tempo de vida à temperatura de 20 °C.

Fig. 3: Espetros de emissão, idênticos, de duas amostras diferentes (lotes) de combustível Jet A-l (excitação ao comprimento de onda de 300 nm) . Fig.4: Representação de Stern-Volmer dos tempos de vida do combustível Jet A-1 para diferentes percentagens de oxigénio a três temperaturas diferentes: -50 °C, 25 °C e 50°C.

Fig.5: Esquema de uma concretização do sistema de medição da concentração de oxigénio num tanque de combustível, usando um feixe flexível de fibras óticas que termina num flutuador.

Fig.6: Esquema de uma concretização do sistema de medição da concentração de oxigénio num tanque de combustível, usando uma coluna fixa contendo feixes de fibras óticas que terminam a vários níveis. Os pontos A, B e C referem-se a pontos a diferentes alturas no tanque.

Fig.7: Esquema de uma concretização do sistema de medição de nível num tanque de combustível, usando uma fonte de radiação e um detetor ligados ao topo do tanque por fibras óticas.

Fig. 8: Decaimentos de fluorescência do combustível de jato, correspondentes a distâncias distintas da superfície do combustível à fonte de excitação e ao detetor.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito a um método para a medição da distribuição espacial da concentração de uma substância ou mistura de substâncias num fluido e/ou do nível num fluido, que compreende os seguintes passos: a) Irradiação do fluido com luz de excitação;

b) Deteção da luz emitida pelo fluido e que chega a um detetor;

c) Emissão e processamento digital do sinal obtido no detetor, obtendo-se o valor da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do fluido;

d) Conversão do tempo de vida ou da fluorescência do fluido em concentração de uma substância ou nível do fluido, através de uma calibração.

Num modo preferencial de realização do método da invenção, o fluido é um fluido com fluorescência intrínseca, preferencialmente combustível, e ainda mais preferencialmente combustível de aeronaves a ato.

Num outro modo preferencial de realização do método da invenção, a substância cu a distribuição espacial da concentração se pretende medir é oxigénio.

Num outro modo preferencial de realização do método da invenção, o método visa a medição da concentração de oxigénio em sistemas de combustível de aeronaves a jato, e compreende os seguintes passos:

a) Irradiação, com luz de excitação, do combustível líquido ou do combustível presente no volume livre do tanque de combustível a uma gama de temperaturas entre cerca de -50 °C a cerca de 50 °C;

b) Deteção da luz emitida pelo combustível líquido ou pelo combustível presente no volume livre, e que chega a um detetor;

c) Emissão e processamento digital do sinal obtido no detetor, obtendo-se o valor da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do combustível ;

d) Conversão do tempo de vida ou da fluorescência do combustível obtidos, em concentração de oxigénio através de uma calibração.

Num outro modo preferencial de realização do método da invenção, o método visa a medição do nível de combustível de jato num tanque e compreende os seguintes passos :

a) Irradiação com luz de excitação, do combustível líquido do tanque;

b) Deteção da luz emitida pelo combustível líquido e que chega a um detetor;

c) Processamento digital do sinal registado no detetor, obtendo-se a resposta da intensidade de fluorescência do combustível em resposta à excitação pulsada ou modulada;

d) Conversão do sinal de fluorescência do combustível obtido em nível do líquido, através de calibração e algoritmo.

Num modo ainda mais preferencial da invenção, a fonte de luz de excitação pode ser contínua, modulada ou pulsada. Num outro modo ainda mais preferencial de realização da invenção a fonte de luz de excitação é um díodo emissor de luz (LED) ou um laser. Num outro modo ainda mais preferencial de realização da invenção a luz de excitação é guiada até ao combustível por uma fibra ótica ou uma janela ótica, entre outras .

Num outro modo ainda mais preferencial de realização da invenção, o combustível é um dos seguintes: um combustível à base de hidrocarbonetos, um combustível derivado do petróleo, Jet A-l, Jet A, Jet B, TS-1, ou o Jet n° 3, mais preferencialmente um combustível que compreende querosene ou nafta-querosene .

A presente invenção diz também respeito a um dispositivo ótico adequado para implementar o método acima descrito e que compreende: uma fonte de luz de baixa intensidade na qual se gera luz de excitação para irradiar uma determinada substância ou mistura de substâncias; uma fibra ótica ou janela ótica para guiar a luz de excitação até ao combustível; um fotodetetor para deteção da fluorescência de uma substância ou mistura de substâncias; e uma unidade de processamento de sinal.

Num modo preferencial de realização da invenção, a fonte de luz de excitação emite luz contínua, modulada ou pulsada. Num outro modo preferencial de realização da invenção, a fonte de luz de excitação é um um díodo emissor de luz (LED) ou um laser.

A presente invenção diz ainda respeito a um sistema para a medição da concentração de oxigénio e/ou do nível de combustível em depósitos de combustível de aeronaves a jato que compreende: o dispositivo ótico acima descrito e um depósito de combustível.

A presente invenção diz ainda respeito à utilização do dispositivo ótico acima descrito para a medição da distribuição espacial da concentração de uma determinada substância ou mistura de várias substâncias e/ou medição do nível de um fluido.

Num modo preferencial de realização da invenção, o dispositivo ótico é utilizado para determinar a distribuição espacial de uma substância ou a mistura de substâncias líquidas ou o nível de um fluido num

determinado reservatório ou depósito. Num modo ainda mais preferencial de realização da invenção, o dispositivo ótico é utilizado para a medição e/ou monitorização da distribuição espacial da concentração de oxigénio dissolvido no combustível líquido ou do combustível presente no volume livre de um tanque de combustível, preferencialmente em aeronaves a ato.

Salvo indicação em contrário, "cerca de x" significa que qualquer valor x apresentado no decurso da descrição deve ser interpretado como um valor aproximado do valor x real, visto que tal aproximação ao valor real seria razoavelmente esperada pelo especialista na técnica, devido a condições experimentais e/ou medição que introduzem desvios ao valor real.

O termo "sistema de combustível" deve ser entendido como o sistema que armazena e distribui o combustível ao longo do avião. Este sistema consiste em duas partes principais: tanques de combustível e subsistemas de distribuição de combustível. Os tanques de combustível podem ser unidades independentes ou parte integrante da estrutura. O combustível é levado desde os tanques até aos motores através das linhas de combustível, válvulas de controlo e bombas colocadas ao longo do percurso, chamados subsistemas de distribuição de combustível .

O termo "substância luminescente" deve ser entendido como referindo-se a uma substância que é útil na deteção de oxigénio de acordo com a invenção por meio de luminescência e extinção de luminescência.

A "luminescência" pode ser considerada como uma emissão de luz que não resulta da temperatura da substância emissora mas sim da excitação dessa substância, por exemplo com luz incidente.

A " fotoluminescência" é a luminescência produzida pela absorção de luz.

A "extinção de luminescência" é a redução da luminescência que resulta da presença de uma substância extintora, tal como o oxigénio. O contacto com uma substância extintora faz com que a substância luminescente passe do estado excitado para o estado fundamental sem emitir luz, produzindo-se uma redução na intensidade e no respetivo tempo de vida da luminescência.

O termo "luz", tal como aqui utilizado, inclui radiação visível, infravermelha e ultravioleta. A luz emitida pela substância luminescente deve ser distinguida da luz que é refletida ou dispersa pela substância indicada . A luminescência é geralmente subdividida em duas formas conhecidas como fluorescência e fosforescência, que são bem compreendidas pelos especialistas na técnica. A maioria das substâncias que são luminescentes são fluorescentes ou fosforescentes, mas, em alguns casos, é possível que a luminescência ocorra por uma combinação dos dois mecanismos.

O termo "luminóforo" refere-se a um átomo ou grupo de átomos existentes na substância luminescente, responsável pelas propriedades de luminescência dessa substância. A substância luminescente da invenção é o próprio combustível utilizado na aviação comercial, e especificamente combustível de ato.

Entende-se por «decaimento de luminescência» o processo pelo qual a substância contendo os luminóforos emite luz, após excitação com um impulso de luz de curta duração (tipicamente dezenas de picossegundos ) . No caso mais simples, o decréscimo progressivo da intensidade da luz emitida é uma função exponencial do tempo, com uma duração característica determinada pelo tempo de vida de luminescência (τ) .

O termo "extinção" é utilizado para se referir a uma redução na fotoluminescência; na presente invenção esta é a fluorescência. Há uma grande variedade de processos de extinção que diminuem a intensidade e o tempo de vida de fluorescência de uma determinada substância. Neste caso, a extinção é uma transferência não radiativa de energia

(transferência de energia de ressonância) . Este processo faz com que a substância luminescente relaxe pela dissipação da energia de excitação por um extintor

("colisão") tal como oxigénio molecular (O2) · O oxigénio é um extintor eficaz devido ao seu estado fundamental invulgar (estado tripleto) .

A extinção ocorre quando uma molécula de oxigénio colide (colidir significa "ficar na proximidade", tipicamente menos de 10 nm) com a molécula de combustível excitada, após o que há uma transferência de energia - o que, portanto, permite que a molécula fluorescente de combustível perca energia sem emissão. No entanto, uma vez que é a concretização da presente invenção que está em causa, os termos são interpretados macroscopicamente: a fluorescência ocorre, mas a presença do extintor reduz o número de fotões emitidos por unidade de tempo, resultando numa redução da fluorescência observável e do respetivo tempo de vida. Para melhorar a conceção e operação dos sistemas de gestão de combustível, é importante medir a concentração de oxigénio no combustível líquido ou no volume livre sobre o combustível, num tanque.

A fim de mitigar pelo menos alguns dos problemas acima mencionados, a presente invenção proporciona um método para monitorizar a concentração de oxigénio dissolvido num combustível ou a concentração de oxigénio na fase gasosa presente no volume livre existente acima do combustível de ato, num tanque.

Verificou-se que o próprio combustível de aviação pode ser usado para monitorizar a concentração de oxigénio nesse combustível ou no volume livre situado acima do combustível, por exemplo num tanque.

A presente invenção proporciona um método ótico de deteção do oxigénio dissolvido em combustível de jato ou situado no volume livre acima do combustível de jato, compreendendo os seguintes passos:

1- Irradiação com luz de excitação, do combustível líquido ou de combustível presente no volume livre do tanque ;

2- Deteção da luz emitida pelo combustível líquido ou por combustível presente no volume livre e que chega a um detetor;

3- Processamento digital do sinal obtido no detetor, obtendo-se o valor da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do combustível;

4- Conversão dos valores do tempo de vida ou da intensidade de fluorescência do combustível obtidos em concentração de oxigénio através de uma calibração.

O dispositivo, objeto da presente invenção, inclui: uma fonte de luz de baixa intensidade, disposta para irradiar combustível de jato, líquido ou combustível presente no volume livre, e um fotodetetor, disposto para detetar a fluorescência do combustível de jato. Tanto a fonte de luz como o fotodetetor estão localizados externamente ao tanque de combustível, a radiação entrando e saindo do tanque através de uma janela ótica ou de uma fibra ótica.

A presente invenção pode ser usada com vantagem em aplicações de inertização na aviação, pois é um meio rápido e preciso de monitorizar a concentração de oxigénio dissolvido no combustível ou presente no volume livre acima deste. Com o conhecimento da concentração de oxigénio, um sistema de inertização inteligente pode controlar a injeção de ar enriquecido em nitrogénio (NEA) para diminuir a concentração de oxigénio e assim reduzir o desgaste do sistema OBIGGS e o consumo de combustível, sem que o risco de ignição seja aumentado por essa razão.

A concentração de oxigénio dissolvido no combustível de jato pode também ser monitorizada indiretamente, recorrendo a uma porção de combustível localizada acima do combustível líquido (a concentração de oxigénio no volume livre está relacionada com a concentração de oxigénio no combustível líquido, assumindo condições de equilíbrio) .

O método desta invenção baseia-se na irradiação do combustível de jato com luz e na medição da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do combustível de jato, para diferentes concentrações de oxigénio.

O combustível pode ser irradiado através de uma das seguintes formas: fibra ótica, janela ótica, entre outras .

A intensidade da luz emitida pelo combustível de jato pode ser medida com um fotodetetor adequado, tal como um fotodíodo, elemento CCD {Charged Couple Device) , etc, como é bem conhecido na técnica. A fonte de excitação pode ser continua, modulada ou pulsada, por exemplo, um LED (Light-Emitting Diode, díodo emissor de luz) ou um laser.

A medição está associada a uma unidade de processamento de sinal para gerar e emitir um sinal derivado da intensidade detetada pelo fotossensor, em resposta à irradiação do combustível de ato pela fonte de luz .

Numa forma de realização, o método da presente invenção pode ser utilizado para medições pontuais da concentração de oxigénio. Alternativamente, o método pode ser utilizado para monitorizar continuamente a concentração de oxigénio dissolvido no combustível ou do combustível presente no volume livre acima do combustível.

Numa forma de realização, o combustível é um combustível à base de hidrocarbonetos, contendo hidrocarbonetos aromáticos policíclicos . Numa outra forma de realização da presente invenção, o combustível pode ser um combustível derivado do petróleo. Ainda noutra forma de realização da presente invenção, o combustível pode compreender querosene. Ainda noutra forma de realização, o combustível pode compreender nafta-querosene . Na forma de realização preferida da presente invenção, o combustível é um combustível para aviões a jato. Este pode ser o combustível Jet A-l, adequado para a maioria dos aviões de motores de turbina, mas também, por exemplo, o Jet A, o Jet B ou o TS-1, o principal combustível disponível na Rússia e na Comunidade de Estados Independentes (CSI), e também o combustível Jet n° 3, principal combustível chinês com grau de exportação, essencialmente idêntico ao Jet A-l.

As análises iniciais consistem em combustível de jato exposto ao ar, tendo o oxigénio presente por efeito reduzir a intensidade de fluorescência, quando o combustível de jato é irradiado com luz ultravioleta (UV) ou visível (250-400 nm) . Ao passar-se uma corrente de nitrogénio pelo combustível de jato, reduz-se assim drasticamente o oxigénio dissolvido no combustível de jato, a emissão de fluorescência aumenta de forma significativa (Fig. 1) .

Na Fig. 1 mostram-se os resultados obtidos para o aumento da intensidade de emissão do combustível de jato com a remoção de oxigénio. Tipicamente, na gama de comprimento de onda de 330-450 nm (cobrindo a gama espetral para a emissão de combustível Jet A-l), a extinção da emissão de fluorescência devida ao oxigénio presente no ar é de cerca de 63% a uma temperatura de 26 °C e à pressão de 1 atm, o que corresponde à concentração máxima que é provável encontrar num tanque de combustível de aeronave.

Para a calibração do tempo de vida de uma determinada substância ou de uma mistura constituída por várias substâncias dissolvidas num líquido ou no volume livre existente num depósito, é possível usar a equação de Stern-Volmer, no caso de ocorrer uma supressão do tempo de vida de luminescência:

[ supressor ] (eq. 1) onde [supressor] é a concentração do supressor, k_q é uma constante de velocidade de segunda ordem que é dependente da temperatura, e το é o tempo de vida de fluorescência na ausência de oxigénio à temperatura em questão. Para a calibração da intensidade é válida a mesma relação, substituindo το/τ por Io/I, em que Io é a intensidade na ausência de supressor.

Para a calibração do tempo de vida do combustível de jato para diferentes concentrações de oxigénio, é possível usar a equação de Stern-Volmer:

onde [O2] é a concentração de oxigénio, k_q é uma constante de velocidade de segunda ordem que é dependente da temperatura, e το é o tempo de vida de fluorescência na ausência de oxigénio à temperatura em questão. Para a calibração da intensidade é válida a mesma relação, substituindo το/τ por Io/I, em que Io é a intensidade na ausência de oxigénio.

As medições de tempo de vida de fluorescência fornecem parâmetros numéricos específicos que são pouco dependentes da proveniência do combustível para jato, como se pode observar na Fig. 2.

Com efeito, observa-se na Fig. 2, que a resposta à temperatura do tempo de vida relativo de fluorescência do combustível é a mesma para dois lotes diferentes de combustível Jet A-l, mostrando-se que o método não é dependente da fonte de combustível de jato. Observam-se espetros de emissão idênticos para dois diferentes lotes de combustível Jet A-l, provando mais uma vez que o método não é condicionado pela fonte de combustível, como se observa na Fig. 3.

EXEMPLOS

Exemplo 1

Uma diminuição da temperatura produz um aumento no tempo de vida da fluorescência do combustível Jet A-l puro, Fig. 4. A representação de Stern-Volmer dos tempos de vida de luminescência é praticamente linear, com um declive que depende da temperatura, Fig. 4. A concentração de oxigénio a qualquer temperatura pode ser quantificada e monitorizada com base nesta relação.

Esta relação foi obtida experimentalmente da seguinte forma: colocou-se o combustível Jet A-l puro numa célula de quartzo de 1 cm de percurso ótico que se encontra selada com uma suba de silicone. O espaço vazio acima do combustível contém uma mistura N2/O2 de composição controlada (percentagens de oxigénio entre 0% e 21% em volume) . Controlou-se a composição da mistura gasosa recorrendo a um misturador de gases de fluxo. Mediu-se para as diferentes percentagens de oxigénio o tempo de vida de fluorescência do combustível Jet A-l puro. O tempo de vida de fluorescência do combustível Jet A-l foi determinado por espetroscopia de cronometragem de monofotão, com um sistema constituído por um laser de picossegundos Tsunami Spectra Physics ( Ti : Sapphire ) (velocidade de repetição 80 MHz, pulsos de 100 fs, 700-1000 nm) e por um laser de corantes Coherent 701-2 de rodamina 6G (560-610 nm) ou DCM (620-700 nm) , bombeados de modo síncrono por um laser de árgon ionizado Coherent Innova 440-10. Os pulsos de excitação têm duração de 3 a 4 ps com uma razão de repetição de 1,9 MHz. O comprimento de excitação utilizado foi tipicamente de 300 nm. A emissão de fluorescência foi observada com um polarizador colocado segundo um ângulo de 54,7° (ângulo mágico) e registada aos 345 nm. A luz difundida é eliminada por um filtro de corte e a luz emitida é selecionada por um monocromador Jobin-Yvon HR320 com uma rede de difração de 100 linhas/nm e medida por um fotomultiplicador Hamamatsu MCP 2809U-01. A resposta instrumental (IRF) tem uma largura a meia altura de 39 ps . À temperatura de 25 °C o tempo de vida fluorescência medido na ausência de oxigénio foi de 39 ns, e para a concentração de oxigénio mais elevada (21%) foi de 15 ns .

Exemplo 2

Uma concretização do sistema de medição do oxigénio dissolvido no combustível de ato, junto à superfície, e em equilíbrio com o oxigénio presente no volume livre, consiste na montagem da Fig. 5. A luz de excitação (pulsada, modulada ou contínua) entra por uma fibra ótica e é conduzida até ao combustível. A emissão do combustível é recolhida por outra fibra ótica e levada ao detetor. Assegura-se que a emissão é proveniente de combustível próximo da superfície usando um feixe de fibras flexível que termina num anel flutuador. O feixe tem comprimento suficiente para se poder atingir o fundo do tanque .

Exemplo 3

Outra concretização do sistema de medição do oxigénio dissolvido no combustível de jato, e em equilíbrio com o oxigénio presente no volume livre, consiste na montagem da Fig. 6. A luz de excitação (pulsada, modulada ou contínua) entra por feixes de fibras óticas e é conduzida até ao combustível, a várias alturas do tanque (pontos A, B e C) , através de uma coluna fixa, não metálica, que suporta os feixes de fibras. A emissão do combustível é recolhida a várias alturas (pontos B e C, no exemplo) e levada ao detetor.

Exemplo 4

Uma concretização do sistema de medição do nível de combustível num tanque consiste na montagem da Fig. 7. A luz de excitação (pulsada ou modulada) entra por uma fibra ótica e atravessa o tanque num trajeto linear, até incidir na superfície do combustível. A emissão do combustível é recolhida por outra fibra ótica e levada ao detetor.

Exemplo 5

Noutra concretização do sistema de medição do nível de combustível num tanque, correspondendo à Fig. 7, usa-se luz de excitação pulsada com um comprimento de onda em que a radiação é praticamente toda absorvida na superfície, designadamente 300 nm. Nessa situação o inicio do sinal de fluorescência (decaimento de fluorescência) do combustível, medido a 345 nm, apresenta um atraso de 1/15 ns por cada cm de distância da superfície do combustível ao ponto de saída da radiação, no topo do tanque. Na Fig. 8 apresentam-se dois decaimentos com um atraso relativo de 7,02 ns, correspondente a uma distância de 105 cm.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para a medição da distribuição espacial da concentração de uma substância ou mistura de substâncias num fluido e/ou medição do nível num fluido caracterizado por compreender os seguintes passos :

a) Irradiação do fluido com luz de excitação;

b) Deteção da luz emitida pelo fluido e que chega a um detetor;

c) Emissão e processamento digital do sinal obtido no detetor, obtendo-se o valor da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do fluido; d) Conversão do tempo de vida ou da fluorescência do fluido em concentração de uma substância ou nível do fluido, através de uma calibração.

2. Método de acordo com a reivindicação 1 caraterizado por o fluido ser um fluido com fluorescência intrínseca .

3. Método de acordo com a reivindicação 2 caraterizado por o fluido com fluorescência intrínseca ser combustível .

4. Método de acordo com a reivindicação 3 caraterizado por o fluido com fluorescência intrínseca ser combustível de aeronaves a ato.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a substância cu a distribuição espacial da concentração se pretende medir ser oxigénio.

6. Método de acordo com as reivindicações 1 a 5 para a medição da concentração de oxigénio em sistemas de combustível de aeronaves a jato, caracterizado por compreender os seguintes passos:

a) Irradiação, com luz de excitação, do combustível líquido ou do combustível presente no volume livre do tanque de combustível a uma gama de temperaturas entre cerca de -50 °C a cerca de 50 °C; Deteção da luz emitida pelo combustível liquido ou pelo combustível presente no volume livre, e que chega a um detetor;

Emissão e processamento digital do sinal obtido no detetor, obtendo-se o valor da intensidade ou do tempo de vida da fluorescência do combustível ;

Conversão do tempo de vida ou da fluorescência do combustível obtidos, em concentração de oxigénio através de uma calibração.

7. Método de acordo com as reivindicações 1 a 4 para a medição do nível de combustível de ato num tanque caraterizado por compreender os seguintes passos:

e) Irradiação com luz de excitação, do combustível líquido do tanque;

f) Deteção da luz emitida pelo combustível líquido e que chega a um detetor;

g) Processamento digital do sinal registado no detetor, obtendo-se a resposta da intensidade de fluorescência do combustível em resposta à excitação pulsada ou modulada;

h) Conversão do sinal de fluorescência do combustível obtido em nível do líquido, através de calibração e algoritmo.

8. Método, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a fonte de luz de excitação ser contínua, modulada ou pulsada.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a fonte de luz de excitação ser um díodo emissor de luz (LED) ou um laser.

10. Método, de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por a luz de excitação ser guiada até ao combustível por uma fibra ótica ou uma janela ótica, entre outras.

. Método, de acordo com as reivindicações 4 a 7, caracterizado por o combustível ser um dos seguintes: um combustível à base de hidrocarbonetos, um combustível derivado do petróleo, Jet A-l, Jet A, Jet B, TS-1, ou o Jet n° 3.

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o combustível compreender querosene ou nafta-querosene .

13. Dispositivo ótico adequado para implementar o método das reivindicações 1 a 12 caraterizado por compreender: uma fonte de luz de baixa intensidade na qual se gera luz de excitação para irradiar uma determinada substância ou mistura de substâncias; fibra ótica ou uma janela ótica para guiar a luz de excitação até ao combustível; um fotodetetor para deteção da fluorescência de uma substância ou mistura de substâncias; e uma unidade de processamento de sinal .

14. Dispositivo de acordo com a reivindicação 13 caracterizado por a fonte de luz de excitação emitir luz contínua, modulada ou pulsada.

15. Dispositivo de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a fonte de luz de excitação ser um díodo emissor de luz (LED) ou um laser.

16. Sistema para a medição da concentração de oxigénio e/ou do nível de combustível em depósitos de combustível de aeronaves a ato que compreende: o dispositivo ótico de acordo com as reivindicações 13 a 15 e um depósito de combustível.

17. Utilização do dispositivo das reivindicações 13 a 15 para a medição da distribuição espacial da concentração de uma determinada substância ou de uma mistura de várias substâncias num fluido e/ou medição do nível de um fluido.

18. Utilização de acordo com a reivindicação 17 para a medição da distribuição espacial de uma substância ou a mistura de substâncias líquidas e/ou medição do nível de um fluido num determinado reservatório ou depósito .

19. Utilização do dispositivo de acordo com a reivindicação 8 para a medição da distribuição espacial da concentração de oxigénio dissolvido no combustível líquido ou do combustível presente no volume livre de um tanque de combustível, preferencialmente em aeronaves a jato.