Dissertação - Institutos Lactec

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INSTITUTO DE TECNOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO (LACTEC)
INSTITUTO DE ENGENHARIA DO PARANÁ (IEP)
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIA
(PRODETEC)
UBIRAJARA ZOCCOLI
ESTUDOS INICIAIS PARA UM PROTÓTIPO DE UM PIEZÔMETRO A FIBRA
ÓPTICA PELO MÉTODO DISTRIBUÍDO DE MONITORAMENTO DE
TEMPERATURA
CURITIBA
2013
UBIRAJARA ZOCCOLI
ESTUDOS INICIAIS PARA UM PROTÓTIPO DE UM PIEZÔMETRO A FIBRA
ÓPTICA PELO MÉTODO DISTRIBUÍDO DE MONITORAMENTO DE
TEMPERATURA
Dissertação aprovada como requisito
parcial para obtenção do grau de Mestre
em Desenvolvimento de Tecnologia, no
Mestrado Profissional do Programa de
Pós-Graduação em Desenvolvimento de
Tecnologia (PRODETEC), realizado pelo
Instituto
de
Tecnologia
para
o
Desenvolvimento (LACTEC), em parceria
com Instituto de Engenharia do Paraná
(IEP).
ORIENTADOR: Prof. Dr. Luiz Alkimin de
Lacerda
CO-ORIENTADOR: Prof. Dr. Rodrigo
Moraes da Silveira
CURITIBA
2013
FICHA CATALOGRÁFICA
DEDICATÓRIA
A Deus,
A meus pais, Hiram e Chame, pelos exemplos a serem seguidos,
À minha esposa Arlete, pelo incentivo,
A meu filho Junior,
À minha filha Amanda,
A meu irmão Hiram Luiz, pela determinação.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por todas as graças concedidas em minha vida e por proteger e
iluminar o meu caminho.
À minha família, em particular à minha esposa Arlete e a meus filhos Junior e
Amanda, por compreender minha ausência para elaboração desta dissertação.
Ao meu amigo Prof. José Luis de Oliveira, pelo apoio e incentivo, e que,
infelizmente, não está mais entre nós e ao meu amigo Jefferson Chapieski, pelas
orientações e esclarecimentos fornecidos.
Ao meu orientador Prof. Dr. Luiz Alkimin de Lacerda, por sua absoluta
compreensão e atenção dispensada nos momentos mais difíceis decorridos ao
longo deste período, e pelas orientações recebidas.
Ao meu co-orientador Prof. Dr. Rodrigo Moraes da Silveira, pelos
esclarecimentos e incentivos recebidos.
Aos professores Drª. Akemi Kan, Dr. Vitoldo Swinka Filho e Dr. Sidnei Helder
Cardoso Teixeira por terem contribuído no aperfeiçoamento técnico desta
dissertação.
Ao Prof. Dr. Alexandre Rasi Aoki, pela competência com que conduziu a
coordenação do curso de mestrado, Prodetec, quarta turma.
Ao meu amigo Roberto Pettres, pelas informações e esclarecimentos dos
algoritmos do software MATLAB.
Ao Rafael Petronilho de Oliveira Rocha, pela ajuda na estruturação e
montagem dos experimentos e na operação e análise dos dados obtidos do
equipamento DTS.
Ao professor Silvino Iagher, pelo apoio na revisão técnica e de português
deste trabalho, e ao meu amigo Jessé Jaelson da Silva, pelas informações técnicas
dos desenhos.
Aos meus amigos Marcio Aparecido Batista e Miguel Olandoski Neto, pelo
companheirismo e apoio durante a realização do curso.
Aos professores e funcionários do Prodetec.
Aos funcionários e bolsistas do Lactec.
Aos meus colegas professores do Daelt, da UTFPR.
E a todos aqueles que colaboraram direta ou indiretamente na realização
deste trabalho e que não estão aqui citados.
EPÍGRAFE
“Agradeço todas as dificuldades
que enfrentei; não fosse por elas,
eu não teria saído do lugar... As
facilidades
nos
impedem
de
caminhar. Mesmo as críticas nos
auxiliam muito.”
Francisco Cândido Xavier –
Chico Xavier
“Se vi mais longe foi por estar de
pé sobre ombros de gigantes.”
Carta de Sir Issac Newton a Robert
Hooke (15 de fevereiro de 1676).
RESUMO
Neste trabalho foram realizados estudos iniciais para o desenvolvimento de um
protótipo de um piezômetro baseado em tecnologia de fibras ópticas, pelo método
de monitoramento distribuído de temperaturas. O conceito em avaliação baseia-se
na detecção de níveis de água através dos sensores ópticos. Foram montados dois
experimentos com fibra óptica disposta de forma helicoidal e uso de água aquecida,
objetivando-se a detecção da interface água/ar, que deve se alterar em função das
variações na pressão externa. O primeiro experimento teve por objetivo avaliar a
influência do passo de colocação da fibra óptica em formato helicoidal, onde foi
possível concluir que a justaposição da fibra apresentou os melhores resultados, em
virtude do maior número de pontos de monitoramento de temperatura. O segundo
experimento foi montado com base no resultado do primeiro, seguindo uma
configuração conceitual para um instrumento que possa ser utilizado em campo,
com o aquecimento da água através de uma resistência elétrica. Constatou-se que o
modelo pode efetuar as medidas de nível de água com eficácia, indicando a
viabilidade de continuidade para desenvolvimento de um instrumento que possa ser
instalado em profundidade para medidas de poropressão com base na tecnologia de
medidas distribuídas de temperatura.
Palavras-chave: Piezômetro, fibra óptica, DTS.
ABSTRACT
Initial studies were performed in this work aiming the development of a prototype of a
piezometer based on fiber optics technology, using the distributed temperature
sensing method. The concept under evaluation is based on the detection of water
levels with the optical sensors. Two experiments were conducted with the fiber optic
helically disposed and the use of heated water, seeking detection the air / water
interface, which should vary according to the changes in the external pressure. The
first experiment was conducted to evaluate the influence of the fiber optic helical
spacing. It was concluded that the juxtaposition of the fiber optic presented the best
results due to the greater number of temperature sensing points. The second
experiment was carried out based on the result of the first one, following a
conceptual configuration for an instrument that may be applied in field, with heated
water through an electrical resistance. It was found that the model was capable of
measuring water levels with efficacy, indicating the viability for continuing this
research towards the development of an instrument which can be installed in depth
for porepressure measurements, based on the distributed temperature sensing
technology.
Keywords: Piezometer, fiber optic, DTS.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Espectro de frequência dos espalhamentos de luz que ocorrem em fibras ópticas
............................................................................................................................................ 28
Figura 2 - O efeito Raman de dispersão em um cabo de fibra óptica................................... 30
Figura 3 – Um único ponto de medição e diversos piezômetros em série com somente uma
fibra ..................................................................................................................................... 32
Figura 4 – Desenho esquemático de um protótipo de piezômetro a fibra óptica, com
dimensões em mm .............................................................................................................. 33
Figura 5 – (A) 1º. Tubo de PVC com 4” e 17 cm, sendo 11 cm com ranhuras helicoidais na
sua porção central; (B) 2º. Tubo de PVC com 4” e 17 cm, sendo os seus 17 cm lisos......... 36
Figura 6 – (A) Vista interna dos tubos com a régua graduada milimétrica; (B) Vista externa
dos tubos com a régua graduada milimétrica....................................................................... 36
Figura 7 – (A) Caneta óptica lançando um sinal luminoso no início da fibra óptica; (B) Sinal
luminoso saindo no final da fibra óptica ............................................................................... 37
Figura 8 – Esquema de montagem da fibra óptica, com o DTS, as duas referências, o tubo
de PVC T01 com ranhuras e o T02 sem ranhuras ............................................................... 37
Figura 9 – (A) Vista do DTS; (B) Medição da temperatura da água na referência do sistema
............................................................................................................................................ 38
Figura 10 – Nível de água de 1 em 1 cm, com os níveis de água para (A) 3 cm, (B) 4 cm e
(C) 5 cm............................................................................................................................... 38
Figura 11 - Nível de água de 2 em 2 cm, com os níveis de água para (A) 3 cm, (B) 5 cm e
(C) 7 cm............................................................................................................................... 39
Figura 12 – (A) Vista lateral do tubo de PVC de 4” com 30 cm; (B) Vista lateral do tubo de
PVC de 6” com 30 cm, com a abertura lateral de 20 cm por 2 cm ....................................... 39
Figura 13 – (A) Cilindro de isopor de 4” com 17 cm, já introduzido no tubo de PVC de 4”; (B)
Resistência elétrica de aquecimento já inserida no tubo de PVC com o cilindro de isopor .. 40
Figura 14 – Tubo de PVC com a fibra óptica enrolada......................................................... 40
Figura 15 – (A) Vista lateral do sistema com a régua colada; (B) Vista lateral do sistema com
o termômetro digital de haste instalado a 9 cm da base ...................................................... 41
Figura 16 – Esquema dos modelos com (A) e sem (B) ranhuras, nível de água em 3 cm ... 43
Figura 17 – (A) Tubo de PVC de 4” com ranhuras helicoidais de 3 mm; (B) Tubo de PVC de
4” sem ranhuras................................................................................................................... 43
Figura 18 – Temperatura dos 11 pontos do primeiro modelo ao longo de 10 minutos – nível
de água: 3 cm ...................................................................................................................... 44
de água: 5 cm ...................................................................................................................... 45
de água: 7 cm ...................................................................................................................... 45
de água: 9 cm ...................................................................................................................... 46
de água: 11 cm .................................................................................................................... 46
de água: 13 cm .................................................................................................................... 47
de água: 15 cm .................................................................................................................... 47
Figura 25 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 11 pontos do primeiro modelo ao
longo de 10 minutos – nível de água: 3 cm.......................................................................... 48
longo de 10 minutos – nível de água: 11 cm........................................................................ 50
Figura 32 – Temperatura dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível
de água: 3 cm ...................................................................................................................... 52
de água: 5 cm ...................................................................................................................... 53
de água: 7 cm ...................................................................................................................... 53
de água: 9 cm ...................................................................................................................... 54
de água: 11 cm .................................................................................................................... 54
de água: 13 cm .................................................................................................................... 55
de água: 15 cm .................................................................................................................... 55
Figura 39 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos do segundo modelo ao
Figura 46 – Desenho esquemático do experimento 2, com os dois tubos de 4” e 6” e a
resistência de aquecimento, com cotas em mm................................................................... 60
Figura 47 – Temperatura dos 38 pontos ao longo de 20 minutos – nível de água: 16 cm.... 61
Figura 54 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos ao longo de 20 minutos –
nível de água: 16 cm............................................................................................................ 65
nível de água: 18 cm............................................................................................................ 65
nível de água: 20 cm............................................................................................................ 66
nível de água: 22 cm............................................................................................................ 66
nível de água: 24 cm............................................................................................................ 67
nível de água: 26 cm............................................................................................................ 67
nível de água: 28 cm............................................................................................................ 68
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - IDENTIFICAÇÃO DOS LIMITES DAS FIBRAS ÓPTICAS NOS TUBOS
SENSORIADOS .................................................................................................................. 42
TABELA 2 – RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 1, TUBO DE PVC COM
RANHURAS, NÍVEL DE ÁGUA DO SISTEMA E DA FIBRA ÓPTICA VARIANDO DE 2 EM 2
cm........................................................................................................................................ 52
TABELA 3 – RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 1, TUBO DE PVC SEM
RANHURAS, NÍVEL DE ÁGUA DO SISTEMA E DA FIBRA ÓPTICA VARIANDO DE 2 EM 2
cm........................................................................................................................................ 59
TABELA 4 - RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 2 ............................................... 68
TABELA 5 – VALORES DO NÍVEL DE ÁGUA IMPOSTO AO SISTEMA E NA INTERFACE
ÁGUA/AR COM O ERRO PERCENTUAL............................................................................ 69
LISTA DE ABREVIATURAS
CCR – Concreto Compactado com Rolo
COPEL – Companhia de Energia do Paraná
DFOT – Distributed Fiber Optic Temperature
DTS – Distributed Temperature Sensing
LACTEC – Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
MATLAB – MATrix LABoratory
NA - Nível de água
PVC – Cloreto de Polivinila
PZ - Piezômetro
PZFO – Piezômetro a Fibra Óptica
TUM – Technische Universität München
UHE – Usina Hidrelétrica
LISTA DE SIGLAS
amb. inicial – temperatura ambiente inicial
amb. final – temperatura ambiente final
exp. inicial – temperatura do experimento inicial
exp. final – temperatura do experimento final
resis. deslig. – a resistência foi desligada
resis. lig. – a resistência foi ligada
sub. exp. – subexperimento
LISTA DE SÍMBOLOS
T01 - tubo de PVC com ranhuras
T02 - tubo de PVC sem ranhuras
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO....................................................................................................19
1.1
CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA ...................................................19
1.2
JUSTIFICATIVA ..........................................................................................20
1.3
OBJETIVOS DO TRABALHO .....................................................................21
1.3.1 Objetivo Geral..........................................................................................21
1.3.2 Objetivos Específicos ..............................................................................21
1.4
2
ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO..............................................................21
REVISÃO DA LITERATURA...............................................................................23
2.1
PIEZOMETRIA............................................................................................23
2.1.1 Piezômetro Casagrande..........................................................................23
2.1.2 Piezômetro hidráulico ..............................................................................24
2.1.3 Piezômetro pneumático...........................................................................24
2.1.4 Piezômetro de corda vibrante..................................................................25
2.1.5 Piezômetro elétrico de resistência...........................................................25
2.1.6 Piezômetro a fibra óptica.........................................................................26
2.2
MONITORAMENTO DISTRIBUÍDO DE TEMPERATURAS COM FIBRAS
ÓPTICAS ...............................................................................................................26
2.2.1 Espalhamento não linear Raman ............................................................27
2.2.2 Sensores de temperatura distribuídos em fibras ópticas utilizando o
espalhamento Raman.........................................................................................29
2.2.3 DTS – Distributed Temperature Sensing.................................................29
2.3
APLICAÇÕES EM ENGENHARIA DO MÉTODO DISTRIBUÍDO DE
MONITORAMENTO DE TEMPERATURA.............................................................31
2.3.1 Proposta de desenvolvimento .................................................................32
3
MATERIAIS E MÉTODOS ..................................................................................34
3.1
Introdução ...................................................................................................34
4
5
3.2
Materiais e equipamentos ...........................................................................34
3.3
Montagem e procedimento de ensaio – experimento 1 ..............................35
3.4
Montagem e procedimento de ensaio – experimento 2 ..............................39
3.5
Organização e análise de dados.................................................................42
3.6
Identificação dos pontos nas fibras ópticas.................................................42
RESULTADOS - ANÁLISE E DISCUSSÃO........................................................43
4.1
EXPERIMENTO 1 .......................................................................................43
4.2
EXPERIMENTO 02 .....................................................................................60
CONCLUSÃO .....................................................................................................70
5.1
CONCLUSÕES ...........................................................................................70
5.2
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ..........................................71
REFERÊNCIAS.........................................................................................................72
APÊNDICES..............................................................................................................75
APÊNDICE A – TABELAS DE DADOS DE TEMPO E TEMPERATURA DO
EXPERIMENTO 1 .....................................................................................................75
APÊNDICE B – ALGORITMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 1, TUBO COM
PASSO, PARA GERAÇÃO DOS GRÁFICOS ...........................................................77
APÊNDICE C – ALGORITMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 1, TUBO SEM
PASSO, PARA GERAÇÃO DOS GRÁFICOS ...........................................................80
APÊNDICE D – TABELAS DE DADOS DE TEMPO E TEMPERATURA DO
EXPERIMENTO 2 .....................................................................................................83
APÊNDICE E – ALGORITMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 2, PARA
GERAÇÃO DOS GRÁFICOS DE TEMPERATURA X SEÇÃO DA FIBRA X
REPETIÇÕES ...........................................................................................................87
APÊNDICE F – ALGORITMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 2, PARA
GERAÇÃO DOS GRÁFICOS DE TEMPERATURAS AMBIENTE, DA ÁGUA E DA
FIBRA........................................................................................................................90
19
CAPÍTULO 1
1
INTRODUÇÃO
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA
No Brasil, realiza-se a geração de energia elétrica, principalmente, por meio
de usinas hidroelétricas, devido ao potencial hídrico disponível no país. Em torno de
75% da energia elétrica gerada vem de usinas hidroelétricas. Um dos componentes
principais de uma usina hidroelétrica é a barragem, cuja função básica é represar a
água que será utilizada para geração de energia elétrica. Uma atenção especial
deve ser dada ao desempenho da barragem devido a sua importância e riscos
associados ao conjunto da usina hidroelétrica.
A contínua avaliação da segurança de barragens é fundamental e é um
assunto de discussão no âmbito nacional, que motivou a criação do Projeto de Lei no
1.181/2003, que estabelece que as barragens devam passar por inspeções
periódicas e, dependendo do porte, por monitoramento contínuo de diferentes
parâmetros. Este Projeto de Lei foi o marco inicial para a criação da Lei
12.223/2010, que estabelece a Política Nacional de Segurança de Barragens
destinada à acumulação de água para quaisquer usos, à disposição final ou
temporária de rejeitos e à acumulação de resíduos industriais e criação do Sistema
Nacional de Informações sobre segurança de Barragens.
Para exemplificar a importância da segurança de barragens são citados
alguns casos de ruptura em território brasileiro: Barragem de Cataguases em Minas
Gerais – 2003, Açude Arneiroz no Ceará – 2004, Barragem de Camará em
Pernambuco – 2004, Barragem de Campos Novos em Santa Catarina – 2006,
Barragem do Rio Pomba Mineração em Minas Gerais – 2007, PCH de Espora em
Goiás – 2008, PCH de Apertadinho em Rondônia – 2008 e a Barragem Algodões I
no Piauí – 2009.
Os casos citados anteriormente confirmam a importância de um contínuo
monitoramento das estruturas de barragens para a sua segurança, avaliando o
20
desempenho da barragem ao longo de sua vida funcional, e detecção de eventuais
problemas com antecedência para a tomada de ações corretivas.
Um dos instrumentos utilizados na avaliação de segurança de barragens é o
piezômetro. Por meio deste instrumento mede-se a pressão da água no interior do
solo ou fundações.
Existem no mercado diversos tipos de piezômetros e dentre eles se
destacam:
piezômetro
Casagrande,
standpipe
ou
tubo
aberto;
piezômetro
pneumático; piezômetro elétrico; piezômetro de corda vibrante; piezômetro hidráulico
ou tubo duplo e piezômetro a fibra óptica: a) Fabry-Perot, b) rede ou grade de Bragg
e c) polarímetro.
Neste trabalho estuda-se o desenvolvimento de um protótipo de um
piezômetro baseado em tecnologia de fibras ópticas pelo método distribuído de
monitoramento de temperatura, que será posteriormente detalhado.
1.2 JUSTIFICATIVA
O método distribuído de monitoramento, que será detalhado posteriormente,
baseia-se na interpretação de dados de temperatura obtidos ao longo de toda a fibra
óptica, podendo atingir dezenas de quilômetros, possuindo assim uma grande
abrangência espacial.
Esta
elevada
abrangência
espacial
abre
a
possibilidade
de
um
monitoramento simultâneo de diversos instrumentos em série, considerando que
cada instrumento deve conter um comprimento mínimo de fibra óptica.
Ademais, a característica intrínseca da fibra óptica de imunidade às ondas
eletromagnéticas apresenta uma vantagem adicional de durabilidade com um
sistema de monitoramento baseado nesta tecnologia.
Este estudo apresenta um primeiro passo para o desenvolvimento de um
piezômetro a fibra óptica, que se baseia no método distribuído de temperatura para
medidas de nível de água em um arranjo específico, que será detalhado
posteriormente no capítulo 2.
21
1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO
1.3.1
Objetivo Geral
Elaborar um estudo preliminar para o desenvolvimento de um protótipo de
piezômetro baseado em tecnologia de fibras ópticas pelo método distribuído de
monitoramento de temperatura.
1.3.2 Objetivos Específicos
(i)
Apresentar um conceito preliminar de um piezômetro a fibra óptica
pelo método distribuído de monitoramento de temperatura.
(ii)
Realizar ensaios e testes em laboratório para avaliação da
capacidade de medição de níveis de água com precisão, que é
parte intrínseca do conceito proposto.
(iii)
Estudar os limites da tecnologia de monitoramento distribuído de
temperatura através de fibras ópticas e possíveis impactos sobre as
medidas de nível de água.
1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
A presente dissertação está dividida em cinco capítulos, além do presente
capítulo introdutório.
No capítulo 02, descrevem-se sucintamente os piezômetros existentes no
mercado, elencando suas vantagens e desvantagens. Em seguida, apresenta-se
uma revisão da literatura sobre o método de monitoramento distribuído de
temperatura em fibras ópticas e suas aplicações em engenharia.
No capítulo 03 são descritos os materiais e métodos empregados nos
estudos iniciais que buscam a validação do conceito inicial para o piezômetro a fibra
óptica.
22
Apresentam-se no capítulo 04 os resultados obtidos em laboratório, assim
como a discussão sobre as limitações do conceito proposto.
No capítulo 05 são apresentadas as conclusões, bem como sugestões para
continuidade deste desenvolvimento.
23
CAPÍTULO 2
2
REVISÃO DA LITERATURA
2.1 PIEZOMETRIA
Os piezômetros foram empregados inicialmente na Índia no final do século
XIX para o estudo da percolação na fundação de barragens construídas para
irrigação. Em 1907, esses instrumentos foram utilizados na Inglaterra e, a partir de
1917, passaram a ser empregados nos Estados Unidos em barragens de terra,
sendo hoje um dos instrumentos mais importantes para o monitoramento do
comportamento de barragens (LIGOCKI, SARÉ E SAYÃO, 2003; SILVEIRA, 2006).
O piezômetro consiste basicamente em um conjunto formado por um
elemento poroso denominado bulbo e um tubo piezométrico. Esse conjunto é
introduzido em um furo de sondagem realizado na superfície, onde será efetuada a
leitura, até o local a ser monitorado. A função desse instrumento é mensurar a
pressão hidráulica em determinados locais de fundação, sendo o seu funcionamento
fundamentado no princípio de vasos comunicantes, baseado no fato de que a
pressão hidráulica externa atuante na região do bulbo será igualada à pressão
exercida pela coluna d´água no interior do tubo de leitura (FERC, 2008).
Diferentes
princípios
tecnológicos
já
foram
empregados
para
desenvolvimento de piezômetros, entre eles: piezômetro Casagrande; piezômetro
hidráulico; piezômetro pneumático; piezômetro corda vibrante; piezômetro elétrico;
piezômetro fibra óptica Fabry-Perot; piezômetro fibra óptica rede de Bragg e
piezômetro fibra óptica tipo polarímetro. Resumidamente, vantagens e desvantagens
destes piezômetros, segundo Cruz (1996) e Silveira (2006), são descritas a seguir.
2.1.1 Piezômetro Casagrande
Vantagens:
Confiabilidade.
Durabilidade.
24
Sensibilidade.
Possibilidade de verificação de seu desempenho por meio de ensaios de
recuperação do nível de água.
Desvantagens:
Restrições quanto à sua instalação à montante da linha de água.
Elevado tempo de resposta, quando instalado em solos com baixa
permeabilidade.
2.1.2 Piezômetro hidráulico
Vantagens:
Técnica de construção relativamente simples.
Permite a avaliação de pressões neutras negativas.
Alta durabilidade.
Desvantagens:
Não é indicado para cotas de instalação muito maiores (~12 m, em função
da pressão de borbulhamento de pedra porosa).
Necessidade de operações demoradas e relativamente complexas para
deaeração das tubulações e manutenção do sistema, implicando o
envolvimento direto de um engenheiro ou técnico com alta qualificação
técnica e consciência profissional.
Tempo de leitura relativamente grande para solos pouco permeáveis.
Recalques ocorridos com os instrumentos afetam os resultados.
2.1.3 Piezômetro pneumático
Vantagens:
Não interferência dos recalques sofridos pelos instrumentos sobre as
medidas.
Inexistência de limitações quanto à localização do instrumento.
Leitura simples e rápida.
Insensibilidade a descargas atmosféricas.
Tempo de resposta relativamente pequeno.
25
Desvantagens:
Necessidade de recarregamento de reservatórios de gás comprimido
(normalmente nitrogênio).
Leituras morosas para alguns medidores em relação a outros.
2.1.4 Piezômetro de corda vibrante
Vantagens:
Boa precisão.
Alta sensibilidade.
Possibilidade de ser lido a distância, o que permite sua integração ao
sistema de automação da auscultação de barragens.
Alta durabilidade dos transdutores.
Leitura de pressões neutras negativas.
Desvantagens:
Corrosão da corda vibrante, constituída por um fio metálico.
Emprego de cabos elétricos não devidamente blindados – interferência de
campos eletromagnéticos.
Descargas atmosféricas, cujas altas tensões induzidas no cabo elétrico do
instrumento provocam a queima das bobinas do transdutor.
2.1.5 Piezômetro elétrico de resistência
Vantagens:
Baixos tempos básicos de resposta.
Possibilidade de efetuar medidas dinâmicas de pressão neutra com registro
contínuo.
Facilidade para automação de leituras.
Leitura de pressões neutras negativas.
Desvantagem:
Sensível à sobretensão e necessita de medidas de proteção.
26
2.1.6 Piezômetro a fibra óptica
Segundo Silveira (2006, p. 73 e 74), um dos desenvolvimentos mais recentes
no campo da engenharia civil, especialmente na instrumentação geotécnica e
estrutural, são representados pelos sensores de fibra óptica. Esse novo tipo de
sensor despertou um forte interesse entre alguns fabricantes e pesquisadores, tendo
por base diferentes princípios, tais como: a interferometria de Fabry-Perot, a grade
de Bragg e o polarímetro, conforme observação de Choquet, Juneau e Quirion
(2000). De acordo com Silveira (2006), dentre as principais vantagens desse tipo de
piezômetro, destacam-se:
Rápido tempo de resposta.
Imunidade a descargas atmosféricas.
Imunidade a interferências eletromagnéticas.
Por outro lado, por se tratar de uma tecnologia recente, o custo dos
equipamentos é elevado e a base de dados ainda é reduzida para uma avaliação
segura de sua durabilidade.
Segundo Silveira (2006), julga-se que os piezômetros de fibra óptica, dentro
de mais algum tempo, tomarão o lugar dos instrumentos de corda vibrante, em
função de sua imunidade à ação de campos magnéticos e descargas atmosféricas.
Além das tecnologias citadas para monitoramento com fibras ópticas, tem-se
também o método distribuído de monitoramento de temperaturas, que será
detalhado a seguir e que é objeto de avaliação deste trabalho, que busca identificar
sua aplicabilidade ao desenvolvimento de um piezômetro.
2.2 MONITORAMENTO DISTRIBUÍDO
ÓPTICAS
DE TEMPERATURAS
COM FIBRAS
Conforme Faria (2012), o monitoramento distribuído de temperatura (DTS) é
particularmente atrativo quando se deseja realizar o mapeamento térmico e/ou a
medição de temperatura ao longo do comprimento da fibra óptica. Geralmente, a
medição distribuída de temperatura é baseada em algum tipo de mecanismo de
espalhamento de luz que ocorre internamente às fibras (RIGHINI et al., 2009). Esses
27
espalhamentos luminosos podem ser classificados como lineares ou não lineares,
dependendo da densidade de potência óptica dentro da fibra.
Ainda, segundo Faria (2012), dentre os espalhamentos lineares citam-se a
dispersão linear Rayleigh e a dispersão linear de Mie. Já os espalhamentos de luz
por
efeitos
não
lineares
são
conhecidos
como
espalhamento
Raman
e
espalhamento Brillouin. Ambos são empregados nos sistemas de medição
distribuída. Contudo, o espalhamento Raman é utilizado somente para a medição de
temperatura, ao passo que o espalhamento Brillouin pode ser empregado tanto na
medição de temperatura, quanto na medição de deformações mecânicas.
Este trabalho, em específico, foca o espalhamento não linear Raman.
2.2.1 Espalhamento não linear Raman
A descoberta do espalhamento Raman foi alcançada por meio de
experimentos realizados por C. V. Raman no ano de 1928 (FRAZÃO et al., 2009).
De acordo com Islam (2004), as primeiras observações de tal espalhamento de luz
foram feitas quando da propagação do feixe óptico em meios líquidos. Constatou-se
que uma parcela do feixe se espalhava com valor de frequência diferenciado,
comparado ao da luz incidente.
Entretanto, a constatação do espalhamento Raman em fibras ópticas
aconteceu somente no ano de 1971, quando Stolen et al. (1972) observaram esse
tipo de espalhamento em fibras de vidro e, um ano mais tarde, o mesmo grupo
efetuou medições do ganho Raman em uma fibra do mesmo tipo (STOLEN e
IPPEN, 1973).
Segundo Faria (2012), uma vez descrita a descoberta do espalhamento
Raman bem como a quantificação da intensidade da luz espalhada, faz-se
necessária uma discussão sobre a explicação física do fenômeno. De acordo com
Chester (1987), a luz que se propaga em um determinado guia óptico pode sofrer
modulação devido ao movimento rotacional e às vibrações moleculares do meio.
Segundo Rossetto (2004), o espalhamento de luz ocorre devido à interação entre o
feixe óptico incidente e as moléculas do meio de propagação. Conforme destaca o
trabalho de Agrawal et al. (2001), o fenômeno do espalhamento Raman converte
28
uma pequena parte da energia da luz incidente em um ou mais campos ópticos,
cujas frequências são diferentes em relação à do feixe incidente.
Ainda, segundo Faria (2012), a quantificação do efeito Raman é realizada por
meio da teoria da física quântica. De forma qualitativa, o espalhamento de luz,
devido ao efeito Raman, ocorre quando um fóton atinge uma molécula do meio,
fazendo-a passar para um estado de energia de vibração maior do que o anterior à
colisão. O fóton transfere parte de sua energia para a molécula de forma que o fóton
resultante possua menor energia e maior comprimento de onda, obedecendo à lei de
Planck, formando a chamada componente Stokes (RIBEIRO, 2005; AGRAWAL et
al., 2001; ROSSETTO, 2004). O fóton também pode receber parte da energia de
vibração de uma determinada molécula. Desse modo, o processo observado é
justamente o oposto ao supracitado, gerando então a componente anti-Stokes, em
que o fóton resultante possuirá menor comprimento de onda e maior energia, em
conformidade com a lei de Planck.
As duas formas de irradiação de energia compostas pelo espalhamento
Raman são exibidas pelo espectro de frequência na Figura 1, onde também podem
ser visualizados o espalhamento Rayleigh e Brillouin (THÉVENAZ, 2011).
Figura 1 – Espectro de frequência dos espalhamentos de luz que ocorrem em fibras ópticas
Fonte – Traduzida do trabalho de THEVENAZ (2011).
Como a relação entre as componentes anti-Stokes e Stokes depende da
temperatura, a medição do espalhamento de luz Raman pode ser empregada para
estimá-la ao longo da fibra óptica (RIGHINI et al., 2009).
29
2.2.2 Sensores de temperatura distribuídos em fibras ópticas utilizando o
espalhamento Raman
Embora as primeiras utilizações do espalhamento Raman tenham se
concentrado nas aplicações relacionadas à amplificação do sinal óptico, o campo do
uso do efeito Raman não ficou limitado apenas a tais aplicações. Com a descoberta
da variação da intensidade do campo espalhado com a temperatura, os primeiros
sensores de temperatura distribuídos começaram a surgir no mercado, e o primeiro
resultado experimental da utilização do espalhamento Raman para medição térmica
foi publicado em 1988 (DAKIN et al., 1988).
De acordo com Nikles (2007), o espalhamento Raman é influenciado pelas
vibrações moleculares do meio, e, desse modo, o mesmo é dependente da
temperatura. Consequentemente, a luz retroespalhada traz consigo informações
térmicas do ponto de ocorrência do fenômeno Raman. Conforme observado na
Figura 1, há duas regiões do espalhamento chamadas de Stokes e anti-Stokes.
Porém, a amplitude da componente anti-Stokes é dependente da temperatura do
meio, ao passo que a amplitude da componente Stokes praticamente não varia com
a temperatura (NIKLES, 2007; INAUDI e GLISIC, 2006).
Os sistemas de medição de temperatura, baseados no espalhamento Raman,
utilizam fibras ópticas tipo multimodo. O emprego desse tipo de guia óptico é
adotado para que o estado de não linearidade seja atingido com uma fonte óptica de
maior
potência,
obtendo-se
maior
intensidade
do
sinal
luminoso
Raman
retroespalhado e facilitando assim sua detecção, bem como resguardando a
integridade do sinal frente às perdas do meio de transmissão.
2.2.3 DTS – Distributed Temperature Sensing
Com o avanço da tecnologia, equipamentos cada vez mais sofisticados e
versáteis vêm sendo desenvolvidos para realizar diferentes tipos de coleta de dados
e análise. Entre eles, tem-se o interrogador tipo DTS – Distributed Temperature
Sensing, também conhecido como tecnologia de medidas DFOT – Distributed Fiber
Optic Temperature, o qual permite monitorar informações relativas às variações
30
térmicas com base em propriedades do espectro da luz retroespelhada no interior do
núcleo de uma fibra óptica (PETTRES et al., 2012).
A técnica de medição distribuída de temperatura com fibra óptica baseia-se
nas propriedades de sensibilidade térmica da fibra em que ela mesma é o sensor
(AUFLEGER et al., 2003). A fibra óptica é um filamento extremamente fino e flexível.
Sua estrutura cilíndrica básica é formada por uma região central chamada de núcleo,
envolta por uma camada chamada de revestimento primário, as quais apresentam
diferentes índices de refração, permitindo assim que a energia eletromagnética (luz)
emitida viaje confinada no interior do núcleo até a extremidade oposta ou um
receptor (BAILEY and WRIGHT, 2003).
O pulso de luz, quando projetado no interior do núcleo da fibra por um
determinado período de tempo, desloca-se com comprimento definido ao longo de
toda a sua extensão (Figura 2). Ao se deslocar, o pulso de luz colide com a estrutura
atômica da fibra óptica provocando o retroespalhamento de ondas, que retornam ao
início da fibra, possibilitando assim sua análise.
Figura 2 - O efeito Raman de dispersão em um cabo de fibra óptica
Fonte – AUFLEGER et al. (2003).
A relação entre a energia da banda anti-Stokes com a banda de Stokes do
sinal retroespalhado pode ser simplesmente relacionada com a temperatura da fibra
óptica em qualquer posição do seu comprimento (SMOLEN e SPEK, 2003).
31
O equipamento DTS utiliza um laser para aplicar os pulsos de luz no interior
da fibra óptica. Um detector específico para a frequência Raman mede a reflexão
deste pico ao longo do seu comprimento, e, por intermédio da análise do tempo total
referente ao momento de emissão da luz até sua recepção, determina a localização
dos pontos de medição distribuídos ao longo da fibra óptica, tendo em vista que a
velocidade do pulso de luz no núcleo da fibra é conhecida (AUFLEGER et al., 2003).
As variações monitoradas podem permitir a avaliação da temperatura com
precisão e resolução espacial que dependerão do equipamento utilizado. Neste
trabalho, o equipamento utilizado tem a resolução máxima de 0,1 ºC e resolução
espacial de 1,02 m para um comprimento de até 6 km de fibra óptica (PETTRES et
al., 2012).
2.3 APLICAÇÕES EM ENGENHARIA DO
MONITORAMENTO DE TEMPERATURA
MÉTODO
DISTRIBUÍDO
DE
A utilização do método distribuído de monitoramento de temperaturas em
engenharia de barragens vem se intensificando e não se restringe à avaliação
exclusiva de temperaturas.
Perzlmaier, Aufleger e Conrad (2004) desenvolveram um método, conhecido
como método do aquecimento, que emprega o aquecimento do cabo óptico,
buscando correlacionar o mecanismo de transporte de calor a parâmetros
característicos do meio que envolve o cabo. Este estudo teve por objetivo a
identificação de infiltrações em barragens de enrocamento com face de concreto.
Segundo uma linha semelhante, Perzlmaier et al. (2006) realizaram estudos
buscando definir a velocidade de fluxo em solos a partir das temperaturas
registradas pelo cabo óptico.
No Brasil, o trabalho pioneiro com este tipo de monitoramento em barragens
foi desenvolvido pelo grupo do LACTEC – Instituto de Tecnologia para o
Desenvolvimento, em parceria com a COPEL – Companhia de Energia do Paraná, e
TUM – Technische Universität München no monitoramento do campo de
temperaturas em um bloco da barragem tipo CCR, da UHE Fundão (MOSER et al.,
2006). Um histórico sobre o desempenho desta instrumentação foi recentemente
apresentado por Lacerda e Soares (2010).
Jarek et al. (2011) utilizaram sensores distribuídos de fibra óptica em um
experimento de laboratório para detecção de infiltrações, combinando o sensor com
32
aquecimento para avaliar níveis qualitativos de saturação no material poroso e a
influência da água no processo de transferência de calor.
Pettres, Rocha e Lacerda (2012) empregaram o método do aquecimento com
o sistema DTS para desenvolver um medidor de nível de água para drenos de
fundação de barragens de concreto. O mesmo desenvolvimento pode ser estendido
para aplicações em campo e facilmente adaptado ao desenvolvimento de um
piezômetro Casagrande/DTS.
2.3.1 Proposta de desenvolvimento
A proposta deste trabalho é utilizar o equipamento DTS e sensores ópticos
distribuídos em estudos iniciais, para o desenvolvimento de um protótipo de um
piezômetro a fibra óptica pelo método distribuído de monitoramento de temperatura.
Em essência, avalia-se a possibilidade de medidas precisas do nível de água
através das fibras ópticas dentro de um instrumento com dimensões compatíveis ao
diâmetro de um furo de sondagem, onde as variações de nível de água devem
ocorrer em função de variações da pressão no meio em que o instrumento estará
inserido. A medição do nível de água no instrumento dar-se-á pela detecção da
interface água/ar.
Espera-se que, com um equipamento DTS, seja possível monitorar diversos
piezômetros em série por meio de um único cabo/fibra óptico e de um único ponto
de medição (ver Figura 3), possibilitando uma elevada abrangência espacial e
facilidade de leitura, especialmente em condições atmosféricas adversas.
Figura 3 – Um único ponto de medição e diversos piezômetros em série com somente uma fibra
Fonte – O autor (2013).
33
Para o desenvolvimento do instrumento proposto, diversos experimentos
foram realizados visando à detecção de uma interface água/ar com sensores ópticos
distribuídos e tendo como premissa o aquecimento da água. O conceito geral do
piezômetro é apresentado na Figura 4, que justifica a necessidade de se estudar a
detectabilidade do nível de água.
Figura 4 – Desenho esquemático de um protótipo de piezômetro a fibra óptica, com dimensões em
mm
O desenho esquemático da Figura 4 é composto por 2 tubos de PVC, com 4”
e 6”; o tubo de 6” possui uma abertura lateral de 2 cm por 20 cm, já o tubo de 4” é
perfurado com 44 furos de 9,5 mm, dispostos em 11 linhas com 4 furos. A parte
superior do tubo de 4” é enrolada à fibra óptica em 11 cm do tubo; na parte interna
do tubo de 4” tem-se um cilindro de isopor, que possui um furo de 2,5 cm para
acondicionar a resistência elétrica. Na base dos 2 tubos tem-se uma manta de
borracha com 6” e na parte interna da manta de borracha, uma membrana flexível
de 4”.
A pressão externa provoca a deformação da membrana, que por sua vez
desloca o volume interno de água. A variação do nível de água altera o comprimento
imerso de fibra óptica, possibilitando, portanto, sua detecção.
34
CAPÍTULO 3
3
MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 Introdução
Neste capítulo são descritos os materiais e os procedimentos utilizados em
dois experimentos, os quais formam a base para o desenvolvimento do conceito
proposto, que utiliza o monitoramento distribuído de temperaturas através da fibra
óptica, e esta como um sensor de nível da água presente no interior do protótipo,
que é o instrumento sensor. A identificação do nível de água é realizada com o
aquecimento da água.
Por meio do primeiro experimento busca-se identificar o modo mais
adequado para assentamento da fibra óptica na superfície do cilindro central de PVC
com 4 pol. Duas alternativas são avaliadas: a) assentamento da fibra óptica no tubo
com ranhura helicoidal com passo de 3 mm; b) assentamento helicoidal justaposto
da fibra óptica.
O segundo experimento consiste em simular a alternativa mais adequada
para assentamento da fibra óptica em um modelo que inclui o aquecimento da água
com uma resistência elétrica.
3.2 Materiais e equipamentos
A seguir são relacionados os materiais e os equipamentos utilizados no
primeiro e segundo experimentos:
•
01 tubo de PVC com diâmetro de 4” e 17 cm de comprimento, sendo
11 cm com ranhuras de 3 em 3 mm com largura de 0,5 mm;
•
01 tubo de PVC com diâmetro de 4” e 17 cm de comprimento, sem
ranhuras;
•
01 tubo de PVC com diâmetro de 4” e 30 cm de comprimento;
•
01 tubo de PVC com diâmetro de 6” e 30 cm de comprimento, com
abertura lateral de 20 cm por 2 cm;
35
•
01 manta de borracha com 15 cm de diâmetro;
•
01 cilindro de isopor de 4” com 17 cm de comprimento, com cavidade
interna de 2,5 cm;
•
01 fibra óptica com 114 metros, multimodo, com núcleo de 50 µm,
revestimento primário de 125 µm e camada protetora de 900 µm;
•
01 equipamento de fusão para fibra óptica, modelo S178 FUSION
SPLICER, fabricante Furukawa Electric CO. LTD.
•
01 régua graduada milimétrica para medição interna do nível da água;
•
01 régua graduada milimétrica para medição externa do nível da água;
•
02 recipientes graduados (1 em 1 litro) – Um para aquecimento da
água e outro para acondicionar os tubos de PVC com os sensores
ópticos;
•
01 termômetro digital para monitoramento da temperatura ambiente;
•
01 termômetro digital de haste para monitoramento da temperatura da
água;
•
01 resistência elétrica para aquecimento da água;
•
01 caneta óptica para teste de continuidade da fibra óptica;
•
01 recipiente para 100 litros de água para acondicionar os trechos com
temperaturas de referência da fibra óptica;
•
01 equipamento DTS.
3.3 Montagem e procedimento de ensaio – experimento 1
O início do experimento 1 consistiu da preparação de 2 tubos de PVC. O
primeiro tubo de PVC foi fabricado com 4” de diâmetro e 17 cm de comprimento,
sendo os 3 cm da parte superior lisos, sem ranhuras, os 11 cm seguintes com
ranhura helicoidal com 3 mm de passo e profundidade de 0,5 mm e, finalizando, com
3 cm na parte inferior, sem ranhuras, conforme ilustra a Figura 5A. Neste tubo a fibra
óptica foi assentada na ranhura. O segundo tubo de PVC foi confeccionado com 4” e
17 cm de comprimento, sendo todos os seus 17 cm sem ranhuras, conforme ilustra a
Figura 5B. A fibra óptica foi enrolada justaposta, ou seja, sem espaçamento. Nas
36
Figuras 5A e 5B a fibra óptica tem cores diferentes, ou seja, branca e cinza, e as
mesmas foram emendadas por meio de um equipamento de fusão para fibra óptica.
(A)
(B)
Figura 5 – (A) 1º. Tubo de PVC com 4” e 17 cm, sendo 11 cm com ranhuras helicoidais na sua
porção central; (B) 2º. Tubo de PVC com 4” e 17 cm, sendo os seus 17 cm lisos
O experimento com os tubos com e sem ranhuras foi executado
simultaneamente. Ambos os tubos foram inseridos em um recipiente graduado de 20
litros, com uma régua milimétrica para monitorar o nível de água dentro do
recipiente, conforme mostra a Figura 6.
Figura 6 – Vista interna dos tubos com a régua graduada milimétrica
Após a montagem do experimento, a continuidade da fibra óptica foi verificada
com uma caneta óptica (ver Figuras 7A e 7B).
37
(A)
(B)
Figura 7 – (A) Caneta óptica lançando um sinal luminoso no início da fibra óptica; (B) Sinal luminoso
saindo no final da fibra óptica
A Figura 8 ilustra um esquema do experimento 1: a fibra óptica conectada ao
DTS, passando pela primeira referência (tanque com temperatura controlada), em
seguida pelos tubos de PVC com ranhura T01 e sem ranhura T02 e, finalmente, pela
segunda referência do sistema.
Unidades em metros
Figura 8 – Esquema de montagem da fibra óptica, com o DTS, as duas referências, o tubo de PVC
T01 com ranhuras e o T02 sem ranhuras
O sistema DTS (ver Figura 9A) foi configurado com informações de calibração
do cabo óptico e programado para realizar leituras a cada 1 minuto. Cada leitura
resulta em um arquivo de dados. Outra informação essencial de configuração é o
parâmetro temperatura associado aos dois trechos de referência. As temperaturas
da água nos trechos de referência são utilizadas para ajuste das leituras do sistema
(ver Figura 9B).
38
(A)
(B)
Figura 9 – (A) Vista do DTS; (B) Medição da temperatura da água na referência do sistema
O primeiro estágio de monitoramento foi realizado com o recipiente sem água.
Cada estágio teve duração de 10 minutos, compreendendo uma série de leituras do
sistema DTS.
No segundo estágio, em diante, água aquecida a 40 ºC foi inserida no
recipiente até atingir o nível de água de 3 cm. Os níveis monitorados variaram de 3
cm a 15 cm com passos de 1 em 1 cm, conforme ilustra a Figura 10. Em cada
estágio, parte da fibra óptica de cada tubo poderia estar submersa e parte, fora da
água.
A cada nível monitorado, a água do recipiente era retirada; colocava-se água
fria por alguns minutos e aguardava-se até que o sistema entrasse em equilíbrio
térmico com o meio ambiente.
(A)
(B)
(C)
Figura 10 – Nível de água de 1 em 1 cm, com os níveis de água para (A) 3 cm, (B) 4 cm e (C) 5 cm
39
A primeira parte do experimento variou o nível de água de 1 em 1 cm,
conforme a Figura 10; na segunda parte do experimento, o nível de água teve uma
variação de 2 em 2 cm, conforme a Figura 11.
(A)
(B)
(C)
Figura 11 - Nível de água de 2 em 2 cm, com os níveis de água para (A) 3 cm, (B) 5 cm e (C) 7 cm
3.4 Montagem e procedimento de ensaio – experimento 2
No segundo experimento foram utilizados 2 tubos de PVC. O tubo interno foi
selecionado com 4” de diâmetro e 30 cm de comprimento (ver Figura 12A), enquanto
o segundo tubo, disposto concentricamente, foi confeccionado com 6” e mesmo
comprimento, com uma abertura lateral de 20 cm para servir como janela de
visualização (ver Figura 12 B).
(A)
(B)
Figura 12 – (A) Vista lateral do tubo de PVC de 4” com 30 cm; (B) Vista lateral do tubo de PVC de 6”
com 30 cm, com a abertura lateral de 20 cm por 2 cm
40
Uma manta de borracha com mesmo diâmetro do tubo externo foi
confeccionada para vedação da base. O tubo interno foi perfurado na lateral inferior
para facilitar o fluxo de calor da água aquecida para fora do tubo. A parte superior do
tubo interno foi preenchida com um cilindro de isopor de 4” com 17 cm, conforme
ilustra a Figura 13A. Através do isopor abriu-se uma passagem para inserir e
posicionar uma resistência elétrica de aquecimento da água na base do cilindro (ver
Figura 13B). A passagem foi posteriormente selada com isopor e gel de silicone.
(A)
(B)
Figura 13 – (A) Cilindro de isopor de 4” com 17 cm, já introduzido no tubo de PVC de 4”; (B)
Resistência elétrica de aquecimento já inserida no tubo de PVC com o cilindro de isopor
Em seguida, fez-se o assentamento da fibra óptica, justaposta ao longo de 11
cm de altura na parte central superior do tubo interno, conforme ilustra a Figura 14.
Figura 14 – Tubo de PVC com a fibra óptica enrolada
41
Para fechar o instrumento, colou-se com adesivo plástico o tubo externo na
base de borracha. O passo seguinte foi posicionar o sistema montado na bancada
de testes com uma régua graduada de 14 cm ao lado da abertura do tubo, que foi
fechada com fita plástica transparente; o espaçamento entre os tubos de PVC foi
mantido com peças de isopor (ver Figura 15A). Um termômetro digital de haste foi
posicionado a 9 cm da base do sistema para medir a temperatura da água, conforme
mostra a figura 15B.
(A)
(B)
Figura 15 – (A) Vista lateral do sistema com a régua colada; (B) Vista lateral do sistema com o
termômetro digital de haste instalado a 9 cm da base
Na bancada de testes, o instrumento foi preenchido com água com
temperatura ambiente até o nível 0 cm, indicado pela régua graduada, que marca o
início do assentamento da fibra óptica no tubo interno. A temperatura da água foi
monitorada por intermédio do termômetro digital de haste.
O sistema DTS foi programado para realizar leituras a cada 15 segundos e
registros a cada 1 minuto. Após um período de 3 minutos de leituras iniciais, o
aquecimento foi acionado durante outros 3 minutos, e, após esse tempo, foi
desligado, seguindo-se com registros de temperatura até 20 minutos. O experimento
42
foi conduzido, repetindo-se o mesmo procedimento para diferentes níveis de água,
variando de 2 em 2 cm.
3.5 Organização e análise de dados
Para uma melhor organização dos dados coletados durante cada ensaio,
foram elaboradas tabelas de controle (ver Apêndices A e D). Algoritmos em MatLab
(MATrix LABoratory) foram elaborados para avaliação dos resultados (ver Apêndices
B, C, E e F); estes algoritmos seccionam a matriz tempo X temperatura para o
período de análise estudado. Os dados registrados no sistema DTS são valores de
temperatura e formam, basicamente, uma matriz contendo em uma dimensão os
pontos da fibra óptica e, na outra, os instantes de medição.
3.6 Identificação dos pontos nas fibras ópticas
Um aspecto fundamental para a avaliação dos experimentos é identificar a
posição dos pontos das fibras que representam as variações de temperatura
registradas. A cada 1,02 m de extensão de fibra óptica tem-se um ponto – o ponto 1
está a 1,02 m do ponto 0, início da fibra óptica; o ponto 2 está a 2,04 m do ponto 0 e
assim por diante. As posições extremas (inferior e superior) da fibra óptica enrolada
nos tubos são facilmente identificadas por meio de testes de imersão da fibra óptica
em água aquecida. A configuração de cada modelo ensaiado é apresentada na
Tabela 1.
Nos resultados apresentados no capítulo 4, o trecho do tubo com passo dos
pontos 34 (inferior) e 44 (superior) serão denominados nos gráficos como os pontos
1 (inferior) e 11 (superior). Para o tubo sem passo, o trecho dos pontos 57 (inferior) e
92 (superior) serão denominados nos gráficos como os pontos 1 (inferior) e 38
(superior).
TABELA 1 - IDENTIFICAÇÃO DOS LIMITES DAS FIBRAS ÓPTICAS NOS TUBOS SENSORIADOS
43
4
RESULTADOS - ANÁLISE E DISCUSSÃO
4.1 EXPERIMENTO 1
Um esquema do recipiente com os modelos testados no primeiro experimento
é ilustrado na Figura 16. Na Figura 17 mostram-se as dimensões e as posições dos
sensores ópticos, ou seja, as fibras ópticas, fixados em cada modelo.
(A)
(B)
Figura 16 – Esquema dos modelos com (A) e sem (B) ranhuras, nível de água em 3 cm
(A)
(B)
Figura 17 – (A) Tubo de PVC de 4” com ranhuras helicoidais de 3 mm; (B) Tubo de PVC de 4” sem
ranhuras
44
Os resultados apresentados a seguir referem-se aos níveis de água: 3 cm, 5
cm, 7 cm, 9 cm, 11 cm, 13 cm e 15 cm. O início da fixação da fibra óptica nos dois
modelos está no nível de água 3 cm, enquanto o término da fixação está no nível 14
cm. Conforme mencionado no Capítulo 3, 11 pontos da fibra óptica são
sensibilizados no modelo com ranhura e 38 pontos no modelo sem ranhura.
As Figuras 18 a 24 mostram os registros de temperatura durante 10 minutos
nos 11 pontos do primeiro modelo para cada um dos 7 níveis de água citados. O
registro das temperaturas inicia imediatamente após a colocação no recipiente da
água aquecida a 40 oC, aproximadamente. Em todas as figuras observam-se os
seguintes aspectos:
• Tendência de estabilização dos valores de temperatura após os minutos
iniciais.
• Temperaturas mais altas nos pontos mais baixos da fibra óptica em virtude da
proximidade da fonte de calor.
• Temperaturas nos pontos imersos comparáveis à temperatura da água.
Observa-se na Figura 18, no eixo “x”, o tempo do ensaio em minutos. Este
tempo foi selecionado em função do nível de água imposto ao sistema e o registro
deste tempo foi feito pelo DTS de forma contínua para cada dia de experimento. Por
este motivo se tem períodos específicos para cada experimento (nível de água), não
necessariamente em ordem sequencial.
Temperatura dos pontos ao longo do tempo
32
31
Temperatura em ºC
30
29
28
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
27
26
25
24
13
14
15
16
17
18
19
Tempo em minutos
20
21
22
23
Figura 18 – Temperatura dos 11 pontos do primeiro modelo ao longo de 10 minutos – nível de água:
3 cm
45
Cabe enfatizar que cada ponto da fibra óptica é sensibilizado pelas variações
térmicas em um segmento de 2,04m (PETTRES et al., 2012). Portanto, para que um
ponto esteja registrando o valor da temperatura da água é necessário que o
segmento do ponto correspondente de 2,04 m esteja imerso.
38
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
36
Temperatura em ºC
34
32
30
28
26
24
22
101
102
103
104
105
106
107
108
Tempo em minutos
109
110
111
5 cm
Temperatura em ºC
40
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
35
30
25
62
64
66
68
Tempo em minutos
70
72
74
7 cm
46
A partir da Figura 20, percebe-se que o ponto da base (ponto 1) não atinge a
mesma temperatura dos outros pontos supostamente imersos. Esta característica é
explicada pelo fato de que parte do segmento de 2,04 m, referente a este ponto,
está fora da região de fixação da fibra óptica no tubo.
Na Figura 21 é evidente que os pontos 2, 3, 4 e 5 estão completamente
imersos em água, registrando a mesma temperatura.
40
Temperatura em ºC
38
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
36
34
32
30
28
26
88
90
92
94
Tempo em minutos
96
98
100
9 cm
40
38
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
Temperatura em ºC
36
34
32
30
28
26
24
16
17
18
19
20
21
22
Tempo em minutos
23
24
25
26
11 cm
47
40
39
Temperatura em ºC
38
37
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
36
35
34
33
32
31
30
41
42
43
44
45
46
47
Tempo em minutos
48
49
50
51
13 cm
39
Temperatura em ºC
38.5
38
37.5
Base 1
Ponto 2
Ponto 3
Ponto 4
Ponto 5
Ponto 6
Ponto 7
Ponto 8
Ponto 9
Ponto 10
Topo 11
37
36.5
36
35.5
16
18
20
22
24
Tempo em minutos
26
28
30
15 cm
Com base nos resultados apresentados para cada nível de água monitorado,
elaborou-se um segundo gráfico, buscando-se a definição de um critério prático para
estimar o nível de água a partir das medidas ópticas. Neste gráfico, tem-se para
cada um dos pontos e período de monitoramento as seguintes informações:
48
temperatura ambiente inicial e final, temperatura da água inicial e final, e as
temperaturas máxima, média e mínima registradas em cada ponto. Estes resultados
são apresentados nas Figuras 25 a 31.
Como critério para definição do nível de água busca-se visualmente o
primeiro ponto, com tendência a “sair” da faixa de temperatura da água durante o
monitoramento. Tendo em vista que os pontos imersos tendem a apresentar o
mesmo registro de temperatura, os mesmos devem formar um patamar
aproximadamente horizontal dentro da faixa de temperaturas da água. O ponto
vizinho que não esteja neste mesmo patamar, possivelmente deve ter parte do seu
segmento de 2,04 m fora da água. O nível da água deve, portanto, estar cruzando
este segmento de 2,04 m. Estes pontos, quando possível, são identificados nas
Figuras 25 a 31. Para efeitos práticos, a posição intermediária entre estes pontos e o
último ponto do patamar (anterior) é adotada como o nível de água estimado pelo
monitoramento óptico.
Na Figura 25, onde o nível de água estava em 3 cm, percebe-se que nenhum
ponto está imerso. A temperatura inicial e final da água é identificada pela legenda
“exp. inicial” e “exp. final”, respectivamente.
Temperaturas MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos 13 e 23
38
36
Temperatura em ºC
34
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
32
30
28
26
24
22
1
2
3
4
5
6
Pontos
7
8
9
10
11
Figura 25 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 11 pontos do primeiro modelo ao longo de 10
minutos – nível de água: 3 cm
Na Figura 26, o nível de água estava em 5 cm. Como se sabe que o ponto 1
(base) tem parte de seu segmento antes do início da fixação da fibra óptica, não é
49
possível visualizar um patamar ou afirmar que o ponto 2 está completamente imerso,
embora sua temperatura máxima esteja dentro da faixa de temperatura da água.
Entretanto, pode-se afirmar que o nível de água cruza o segmento correspondente
ao ponto 2. A suavidade da curva, que une os pontos 3 em diante, indica que os
mesmos estão completamente fora da água.
38
36
Temperatura em ºC
34
32
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
30
28
26
24
22
20
18
1
2
3
4
5
6
Pontos
7
8
9
10
11
Na Figura 27 é nítido o patamar formado pelas temperaturas nos pontos 2 e
3. Portanto, o nível de água cruza o segmento referente ao ponto 4. A mesma
análise é válida para as Figuras 28 – 31.
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
0
2
4
6
Pontos
8
10
12
50
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
0
2
4
6
8
Pontos
10
12
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
20
1
2
3
4
5
6
Pontos
7
8
9
10
11
51
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
20
1
2
3
4
5
6
Pontos
7
8
9
10
11
Conclui-se, pela Figura 31, que o ponto 11, assim como o ponto 1, também
tem parte de seu segmento de 2,04 m fora da água, após o término da fixação da
fibra óptica.
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
20
0
2
4
6
8
Pontos
10
12
14
52
Na Tabela 2 apresenta-se uma comparação entre os níveis de água impostos
e identificados por intermédio do monitoramento óptico.
TABELA 2 – RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 1, TUBO DE PVC COM RANHURAS,
NÍVEL DE ÁGUA DO SISTEMA E DA FIBRA ÓPTICA VARIANDO DE 2 EM 2 cm
A mesma análise é efetuada com os dados obtidos com o tubo sem ranhuras.
As Figuras 32 a 38 apresentam os registros de temperatura dos pontos monitorados,
enquanto as Figuras 39 a 45 apresentam a análise destes resultados e identificação
do nível de água com base no critério estabelecido.
32
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
Temperatura em ºC
30
28
26
24
22
20
18
19
20
21
22
23
24
25
Tempo em minutos
26
27
28
29
Figura 32 – Temperatura dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de 10 minutos – nível de água:
3 cm
53
38
36
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
Temperatura em ºC
34
32
30
28
26
24
22
20
101
102
103
104
105
106
107
Tempo em minutos
108
109
110
111
5 cm
40
38
Temperatura em ºC
36
34
32
30
28
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
26
24
22
20
17
18
19
20
21
22
23
Tempo em minutos
24
25
26
27
7 cm
54
40
38
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
Temperatura em ºC
36
34
32
30
28
26
24
22
74
76
78
80
Tempo em minutos
82
84
86
9 cm
40
38
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
Temperatura em ºC
36
34
32
30
28
26
24
22
20
16
17
18
19
20
21
22
Tempo em minutos
23
24
25
26
11 cm
55
40
38
Temperatura em ºC
36
34
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
32
30
28
26
24
22
52
54
56
58
Tempo em minutos
60
62
64
13 cm
40
38
Temperatura em ºC
36
Base 1
Ponto 4
Ponto 7
Ponto 11
Ponto 14
Ponto 17
Ponto 21
Ponto 24
Ponto 27
Ponto 31
Ponto 34
Ponto 36
Topo 38
34
32
30
28
26
24
22
16
18
20
22
24
Tempo em minutos
26
28
30
15 cm
56
Temperaturas MÁXIMA,MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos 19 e 29
38
36
Temperatura em ºC
34
32
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
30
28
26
24
22
20
18
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
Figura 39 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos do segundo modelo ao longo de
10 minutos – nível de água: 3 cm
38
36
Temperatura em ºC
34
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
32
30
28
26
24
22
20
18
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
57
40
38
Temperatura em ºC
36
34
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
32
30
28
26
24
22
20
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
20
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
58
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
20
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
40
38
Temperatura em ºC
36
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
34
32
30
28
26
24
22
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
59
40
38
Temperatura em ºC
36
34
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
exp inicial
exp final
32
30
28
26
24
22
20
0
5
10
15
20
Pontos
25
30
35
40
e identificados por intermédio do monitoramento óptico.
TABELA 3 – RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 1, TUBO DE PVC SEM RANHURAS,
NÍVEL DE ÁGUA DO SISTEMA E DA FIBRA ÓPTICA VARIANDO DE 2 EM 2 cm.
Obteve-se uma densidade de informações maior na segunda parte do
experimento, com o monitoramento de 38 pontos no tubo de PVC sem ranhuras,
contra a primeira parte do experimento, com o monitoramento de 11 pontos no tubo
de PVC com ranhuras de 3 mm.
60
A detecção da interface água/ar foi mais precisa na segunda parte do
experimento, pois os 38 pontos foram distribuídos em 11 cm da fibra óptica com os
pontos em intervalos de 0,29 cm; já na primeira parte do experimento, os 11 pontos
foram distribuídos em 11 cm da fibra óptica com os pontos em intervalos de 1 cm.
Como tem menos pontos, a detecção fica mais difícil.
4.2 EXPERIMENTO 02
Um esquema do modelo testado no segundo experimento, em que foi
utilizado um tubo sem ranhuras, é ilustrado na Figura 46. A fibra óptica foi fixada em
justaposição em uma extensão de 11 cm do tubo de PVC.
Os resultados apresentados a seguir referem-se aos níveis de água: 16 cm,
18 cm, 20 cm, 22 cm, 24 cm, 26 cm e 28 cm. O início da fixação da fibra óptica no
modelo está no nível de água 16 cm, enquanto o término da fixação está no nível 27
cm. Conforme mencionado no Capítulo 3, 38 pontos da fibra óptica são
sensibilizados neste modelo. Em todos os casos analisados, a água foi aquecida até
a temperatura de 31 oC, aproximadamente.
As Figuras 47 a 53 mostram os registros de temperatura durante 20 minutos
de ensaio nos 38 pontos do modelo, para cada um dos 7 níveis de água citados. A
quantidade de repetições no eixo “x” dos gráficos significa o tempo; cada repetição é
de 0,25 minutos, ou seja, 80 repetições são 20 minutos. O início do aquecimento se
dá alguns minutos após o início do ensaio. Ao final dos 20 minutos de ensaio, o
comportamento obtido é semelhante aos registros obtidos no primeiro experimento e
a análise dos resultados é semelhante.
Figura 46 – Desenho esquemático do experimento 2, com os dois tubos de 4” e 6” e a resistência de
aquecimento, com cotas em mm
61
Figura 47 – Temperatura dos 38 pontos ao longo de 20 minutos – nível de água: 16 cm
62
63
64
As Figuras 54 a 60 apresentam a análise destes resultados e a identificação
do nível de água com base no critério estabelecido. Na Figura 54, percebe-se com
clareza que nenhum ponto da fibra óptica está imerso. A nomenclatura utilizada na
legenda foi:
• amb inicial = temperatura ambiente inicial,
• amb final = temperatura ambiente final,
• água inicial = temperatura da água inicial,
• água final = temperatura da água final,
• máxima = temperatura máxima de cada ponto da fibra óptica,
• mínima = temperatura mínima de cada ponto da fibra óptica e
• média = temperatura média de cada ponto da fibra óptica.
65
Temperatura MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre as repetições 1 e 80
Temperatura em ºC
30
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
25
20
15
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
Figura 54 – Temperaturas mínima, média e máxima dos 38 pontos ao longo de 20 minutos – nível de
água: 16 cm
Observa-se na Figura 55 que o primeiro ponto não tem todo o seu segmento
no trecho de fixação no tubo de PVC. Observa-se também que as maiores
temperaturas registradas são superiores à temperatura máxima da água. Isso ocorre
em função do posicionamento do termômetro de agulha e da fibra óptica (mais
próxima) em relação à resistência elétrica. Estima-se pelo gráfico que o nível de
água está entre os pontos 6 e 7.
32
Temperatura em ºC
30
28
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
26
24
22
20
18
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 18 cm
66
Na Figura 56, estima-se que o nível de água esteja entre os pontos 13 e 14.
32
30
Temperatura em ºC
28
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
26
24
22
20
18
16
14
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 20 cm
34
32
Temperatura em ºC
30
28
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
26
24
22
20
18
16
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 22 cm
67
32
30
Temperatura em ºC
28
26
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
24
22
20
18
16
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 24 cm
32
Temperatura em ºC
30
28
26
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
24
22
20
18
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 26 cm
68
A Figura 60 indica que o ponto 38, possivelmente, tem parte de seu segmento
fora da região de fixação da fibra óptica.
32
Temperatura em ºC
30
28
máxima
mínima
média
amb inicial
amb final
água inicial
água final
26
24
22
20
18
0
5
10
15
20
Pontos da fibra
25
30
35
40
água: 28 cm
e identificados por meio do monitoramento óptico.
TABELA 4 - RESUMO DOS DADOS DO EXPERIMENTO 2
Como se pode observar na Tabela 4, o valor da interface água/ar ficou muito
próximo ao valor imerso da fibra óptica; para se obter o valor em cm da interface
água/ar foi utilizado o ponto médio multiplicado por 0,29 cm, que é a distância entre
cada ponto. Por exemplo, a NA do sistema é 18 cm, a interface água/ar está entre
os pontos 6 e 7, e foi adotado o ponto médio de 6,5 e multiplicado por 0,29 cm,
69
resultando 1,89 cm. A Tabela 5 mostra o percentual de erro entre as duas medidas,
o nível de água na fibra óptica medido pela régua graduada e os pontos de interface
água/ar medidos pelo DTS via algoritmo MATLAB.
TABELA 5 – VALORES DO NÍVEL DE ÁGUA IMPOSTO AO SISTEMA E NA INTERFACE ÁGUA/AR
COM O ERRO PERCENTUAL
70
5
CONCLUSÃO
5.1 CONCLUSÕES
A partir dos resultados obtidos com os experimentos realizados, foi
constatado que é possível detectar a presença de água aquecida por intermédio da
fibra óptica, por meio de um arranjo específico, relacionando o nível de água
aquecida com o ponto de uma fibra óptica, disposta de forma helicoidal. Com o
exposto nos experimentos 1 e 2, e com os dados processados pelo algoritmo em
MATLAB e, posteriormente, a geração dos gráficos e tabelas, foi possível determinar
um intervalo provável da localização do nível de água.
Por meio dos experimentos 1 e 2, a fibra óptica foi disposta de duas formas
helicoidais, trabalhando o arranjo espacial. Para o experimento 1 foi definido um
arranjo helicoidal com dois valores, o com passo de 3 mm e o sem passo, ou seja, a
fibra óptica foi justaposta. Com isso, buscou-se avaliar o arranjo mais adequado
para a detecção do nível de água. Os equipamentos adotados para executar as
medições possuíam incertezas. Para o DTS, a resolução na medição de temperatura
é da ordem de 0,1 ºC, o que não influenciou nas medidas; já na resolução espacial,
que é de 1,02 m no referido sistema, a influência foi percebida, especialmente nos
pontos limites de medição, pois parte do trecho associado a um ponto da fibra óptica
poderia estar imerso em água aquecida ou não, ou mesmo fora do arranjo helicoidal.
Apesar das incertezas inerentes ao sistema DTS, a detecção do nível de água
pôde ser efetuada com eficácia. Todavia, os resultados obtidos no segundo
experimento apresentaram erros com percentuais inferiores a 0,61 %. Avalia-se que
o sistema de medição pode ser adaptado em piezômetros tipo Casagrande.
Entretanto, a estratégia de medição, neste caso, deve utilizar o aquecimento do
próprio cabo ótico.
Estima-se que o conceito apresentado para um instrumento que possa ser
instalado em profundidade para medidas de pressão de água no solo seja válido
com base nos resultados obtidos com o segundo experimento. Entretanto, a
aplicabilidade é dependente de outro mecanismo transdutor que deverá transformar
as pressões externas em variações de nível de água. Neste momento não é possível
71
afirmar se a confecção de tal mecanismo é razoável para medidas de pressão em
solo, que são relativamente baixas.
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Finalizando, seguem sugestões para continuidade desta pesquisa:
- Aprimorar o critério para estimativa do nível de água da interface água/ar.
- Realizar a montagem e o teste de um protótipo baseado no experimento 2,
com uma membrana flexível em sua base, conforme modelo conceitual
proposto.
72
REFERÊNCIAS
AGRAWAL, G. P.; KELLEY, P. L.; KAMINOW, I. P. Nonlinear Fiber Optics.
California: Academic Press, 2001. 481 p.
AUFLEGER, M.; CONRAD, M; STROBL, T.; MALKAWI, A.I.H; DUAN, Y. (2003) –
‘Distribuited Fiber Optic Temperature Measurement’, In: RCC-Dams in Jordan
and China. China.
AUFLEGER, M.; GOLTZ M.; CONRAD M. (2007) Distributed fibre optic temperature
measurements – A competitive alternative for temperature monitoring in large
RCC dams. Guiyang, China.
BAILEY, D.; WRIGHT, E. (2003) – Practical Fiber Optics. Inglaterra: Newnes.
BRASIL. Lei nº 12.334, de 2010. Estabelece a Política Nacional de Segurança de
Barragens destinadas à acumulação de água para quaisquer usos; à
disposição final ou temporária de rejeitos e à acumulação de resíduos
industriais. Cria o Sistema Nacional de Informações sobre Segurança de
Barragens. Presidência da República, Casa Civil, Subchefia para assuntos
jurídicos. Brasília, 2010.
BRASIL. Projeto de Lei nº 1.181, de 2003. Estabelece diretriz para verificação da
segurança de barragens de cursos de água para quaisquer fins e para aterros
de contenção de resíduos líquidos industriais. A Segurança de Barragens e a
Gestão de Recursos Hídricos no Brasil. Brasília: Ministério da Integração
Nacional, 2004.
CHESTER, A. N. Optical Fiber Sensors. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers,
1987. 471p.
CHOQUET, P.; JUNEAU, F.; QUIRION, M. Advances in fabry-perot fiber optic
sensors and instruments for geotechnical monitoring. Geotechnical News,
Newport Beach, Québec, Canadá 2000.
DAKIN, J. P.; PRATT, D. J.; BIBBY, G. W.; ROSS, J. N. Distributed Optical Fiber
Raman Temperature Sensor Using a Semiconductor Light Source and
Detectors. In: IEEE Electronic Letters, VOL. 21, 1988.
FARIA, I. P. Proposição e comparação de técnicas de mapeamento térmico
volumétrico para transformadores de potência. Itajubá, 2012. 139 p.
73
FRAZÃO, O.; CORREIA, C.; GIRALDI, M. T. M. R; MARQUES, M. B.;
SALGADO, H. M.; MARTINEZ, M. A. G.; COSTA, J. C. W. A.; BARBERO, A.
P.; BAPTISTA, J. M. Stimulated Raman Scattering and its Applications in
Optical Communications and Optical Sensors. In: The Open Optical Journal,
2009.
INAUDI, D.; GLISIC, B. Distributed Fiber Optic Strain and Temperature Sensing
for Structural Health Monitoring. In: The Third International Conference on
Bridge Maintenance, Safety and Management, Porto, Portugal, 2006.
INAUDI, D.; GLISIC, B. Integration of Distributed Strain and Temperature Sensors in
Composite Coiled Tubing.
In: SPIE Smart Structures and Materials
Conference, San Diego, USA, 2006.
ISLAM, M. N. Raman Amplifiers for Telecommunications 1 – Physical Principles.
New York: Springer, 2004. 307 p.
JAREK, A.; OLIVEIRA, P. A.; SILVEIRA, R. M.; BURAS, M.; LACERDA, L. A.;
ROCHA, R. P. O.; GOLTZ, M. (2011) Improving DTS spatial resolution for
detection of infiltration concrete face rock fill dams, Lisbon, Portugal.
FERC – Federal Energy Regulatory Commission. Engineering Guidelines for the
Evaluation of Hydropower Projects. Washington DC, 2008.
GRATTAN, K. T. V.; MEGGITT, B. T. Optical Fiber Sensor Technology –
Fundamentals. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2000. 335 p.
LACERDA, L. A.; SOARES, M. A. 5 anos de monitoramento de temperaturas
com sensores distribuídos de fibra óptica na barragem de CCR da UHE
Fundão. VII Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas, São
Paulo, 2010.
LIGOCKI, L. P., SARÉ, A. R. and SAYÃO, A. S. F. J. Avaliação de Segurança da.
Barragem de Curuá-Una com base na Piezometria. Em XXV Seminário
Nacional de Grandes Barragens, páginas 207–217. Salvador-BA, 2003.
MINISTÉRIO DA INTEGRAÇÃO NACIONAL. Manual de Segurança e Inspeção
de Barragens. Brasília, 2002. 148 p.
NIKLES, M. Fibre Optic Distributed Scattering Sensing System: Perspectives and
Challenges for High Performance Applications. In: Micron Optics, 2007.
PERZLMAIER, S.; AUFLEGER, M.; CONRAD, M. (2004) Distributed Fiber Optic
Temperature Measurements in Hydraulic Engineering – Prospects of the Heatup Method. Seoul.
74
PERZLMAIER, S.; STRASSER K. H.; STROBL T.; AUFLEGER M. (2006) Integral
Seepage Monitoring on Open Channel Embankment Dams by the DFOT Heat
Pulse Method, Barcelona.
PETTRES, R.; ROCHA R. P. O.; LACERDA L. A. – Método para avaliação de drenos
de fundação de barragens de concreto baseado em fibras ópticas. VIII
Simpósio sobre Pequenas e Médias Centrais Hidrelétricas, Porto Alegre,
2012.
RIBEIRO, J. A. J. Comunicações Ópticas. São Paulo: Editora Érica, 2005. 454 p.
RIGHINI, G. C.; TAJANI, A.; CUTOLO, A. An Introduction to Optoelectronic Sensors.
London: Word Scientific, 2009. 585 p. (Series in Optics and Photonics – Vol. 7)
ROSSETTO, J. F. Sensores Distribuídos Utilizando Efeitos não Lineares em Fibras
Ópticas para a Aplicação em Estruturas Inteligentes. Tese – Universidade
Estadual de Campinas, Campinas, Brasil, 2004.
SILVEIRA, J. F. A. Instrumentação e Segurança de Barragens de Terra e
Enrocamento. Oficina de Textos. 1 ed., 2006.
SMOLEN, J.J.; SPEK, A.V.D. Distributed Temperature Sensing – A DTS.
Primer for Oil & Gas Production. Shell, 2003.
STOLEN, R. H.; IPPEN, E. P. Raman Gain in Glass Optical Waveguide. In:
Application Physical Letter, 1973.
STOLEN, R. H.; IPPEN, E. P.; TYNES, A. R. Raman Oscillation in Glass Optical
Waveguides. In: Application Physical Letter, 1972.
THÉVENAZ, L. Advanced Fiber Optics – Concepts and Technology. New York:
CRC Press, 2011. 394 p.
75
APÊNDICES
APÊNDICE A – TABELAS DE DADOS DE TEMPO E TEMPERATURA DO
EXPERIMENTO 1
76
77
APÊNDICE B – ALGORÍTMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 1, TUBO COM
PASSO, PARA GERAÇÃO DOS GRÁFICOS
NOME DO ARQUIVO: Compasso08082012final
PASSOS DO ALGORITMO UTILIZADO NO MATLAB
%% Carregando matrizes gerais
clc
close all
load M_21_11_2011
load M_23_11_2011
load M_28_11_2011
load M_30_11_2011
load M_02_12_2011
load M_09_12_2011
%% Com passo
comprimento_inicial=34; % Observação: a diferença sempre deve ser 11
comprimento_final=44;
cpasso1=comprimento_inicial;
cpasso2=comprimento_final;
Mpasso_21_11_2011=M_21_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:);
save Mpasso_21_11_2011
%% Finalizando ajuste de matrizes
%% Matriz(Linha, Coluna)=> cada linha representa uma unidade de
%% comprimento: 1,02 colunas representam cada minuto de tempo.
%% Em primeiro, análise do tubo com passo e preparação do dados para plotagem.
%% Opções para cada análise
%% chamar "Mpasso_21_11_2011=nome da matriz(dia)"
%% opções -> Mpasso_21_11_2011 -> Mpasso_23_11_2011 -> Mpasso_28_11_2011
%% opções -> Mpasso_30_11_2011 -> Mpasso_02_12_2011 -> Mpasso_09_12_2011
%% Só altera aqui:
Mpasso_21_11_2011=Mpasso_09_12_2011;
% Alterar dia aqui
tempo_inicial=17;
% <---------------------Alterar tempo inicial
tempo_final=29;
% <---------------------Alterar tempo final
Temperatura_ambiente_inicial=22.10
% Alterar temperatura ambiente inicial
Temperatura_ambiente_final=21.80
% Alterar temperatura ambiente final
Temperatura_experimento_inicial=38.90 % Alterar temperatura experimento inicial
Temperatura_experimento_final=37.20
% Alterar temperatura experimento final
%% Daqui para baixo não alterar
[metros minutos]=size(Mpasso_21_11_2011);
78
time=tempo_inicial:tempo_final;
Tmedia=[];
Tminima=[];
Tmaxima=[];
for variavel=1:(cpasso2-cpasso1+1)
temperatura_media=mean(Mpasso_21_11_2011(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
temperatura_minima=min(Mpasso_21_11_2011(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
temperatura_maxima=max(Mpasso_21_11_2011(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
Tmedia=[Tmedia;temperatura_media];
Tminima=[Tminima;temperatura_minima];
Tmaxima=[Tmaxima;temperatura_maxima];
end
temperatura_media=Tmedia
temperatura_minima=Tminima
temperatura_maxima=Tmaxima
temperatura_ambiente_inicial=ones((tempo_finaltempo_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial
temperatura_ambiente_final=ones((tempo_finaltempo_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final
temperatura_experimento_inicial=ones((tempo_finaltempo_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_inicial
temperatura_experimento_final=ones((tempo_finaltempo_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_final
temperatura_max_ponto_2=max(Mpasso_21_11_2011(2,tempo_inicial:tempo_final))
%% Todas as Temperaturas
figure('color', [1 1 1])
plot(time, Mpasso_21_11_2011(1,tempo_inicial:tempo_final),'b--')
hold on
plot(time, Mpasso_21_11_2011(2,tempo_inicial:tempo_final),'g-')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(3,tempo_inicial:tempo_final),'r:')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(4,tempo_inicial:tempo_final),'k-.')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(5,tempo_inicial:tempo_final),'c--')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(6,tempo_inicial:tempo_final),'m-')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(7,tempo_inicial:tempo_final),'b:')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(8,tempo_inicial:tempo_final),'g-.')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(9,tempo_inicial:tempo_final),'r--')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(10,tempo_inicial:tempo_final),'k-')
plot(time, Mpasso_21_11_2011(11,tempo_inicial:tempo_final),'c:')
title([' Temperatura dos pontos ao longo do tempo '],'FontSize',20)
xlabel('Tempo em minutos','FontSize',20)
ylabel('Temperatura em ºC','FontSize',20)
legend(['Base 1'],['Ponto 2'],['Ponto 3'],['Ponto 4'],['Ponto 5'],...
['Ponto 6'],['Ponto 7'],['Ponto 8'],['Ponto 9'],['Ponto 10'],['Topo 11'],'FontSize',18)
grid on
%% axis square
%% Temperaturas máximas, mínimas e médias , ambiente e do experimento
eixo_tempo=tempo_inicial:tempo_final
plot(temperatura_maxima,'b.-')
hold on
79
plot(temperatura_minima,'go-')
hold on
plot(temperatura_media,'rx-')
hold on
plot(temperatura_ambiente_inicial,'c+-')
hold on
plot(temperatura_ambiente_final,'m*-')
hold on
plot(temperatura_experimento_inicial,'ks-')
hold on
plot(temperatura_experimento_final,'bd-')
hold on
title([' Temperaturas MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos ',...
num2str(tempo_inicial),' e ',num2str(tempo_final)],'FontSize',20)
xlabel('Pontos','FontSize',20)
grid on
legend(['máxima'],['mínima'],['média'],['amb inicial'],...
['amb final'], ['exp inicial'],['exp final'],'FontSize',18)
axis square
80
APÊNDICE C – ALGORÍTMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 1, TUBO SEM
PASSO, PARA GERAÇÃO DOS GRÁFICOS
NOME DO ARQUIVO : SemPasso08082012Final
PASSOS DO ALGORITMO UTILIZADO NO MATLAB
%% Programa Sem passo
%% Esse programa prepara as matrizes base dos experimentos
%% e plota os gráficos de temperaturas (valores, médias, máximas, etc)
%% Primeira etapa - >>>> Carregando as matrizes base
disp('Carregando as matrizes base')
clc
close all
load M_21_11_2011
load M_23_11_2011
load M_28_11_2011
load M_30_11_2011
load M_02_12_2011
load M_09_12_2011
%% Definição dos parâmetros de comprimento para análise
comprimento_inicial=57; % Base do tubo
% Topo do tubo
% Sempre citar com a diferença entre os comprimentos, pois,
% os pontos para plotagem dependem nesse caso das 38 linhas.
disp('Matriz que contém as linhas de comprimentos por todos os tempos')
disp('(comprimento_inicial:comprimento_final x todos os tempo)')
MSpasso_21_11_2011=M_21_11_2011(comprimento_inicial:comprimento_final,:);
save MSpasso_21_11_2011; %|
save MSpasso_28_11_2011; %|----> Salvando as matrizes já cortadas
disp('Salvando as matrizes já cortadas')
%% comprimento: 1,02 coluna representa cada minuto de tempo.
%% Opções para cada análise
%% chamar "M=nome da matriz(dia)"
%% opções -> MSpasso_21_11_2011 -> MSpasso_23_11_2011 ->
MSpasso_28_11_2011
%% opções -> MSpasso_30_11_2011 -> MSpasso_02_12_2011 ->
MSpasso_09_12_2011
%% Só altera aqui:
81
M=MSpasso_09_12_2011;
%% Alterar o dia aqui - Matriz do dia do experimento
tempo_inicial=17;
%% <---------------------Alterar tempo inicial
tempo_final=29;
%% <---------------------Alterar tempo final
Temperatura_experimento_inicial=38.90 % Alterar temperatura experimento inicial
Temperatura_experimento_final=37.20
%% Daqui para baixo não altera
[metros minutos]=size(M);
Tmedia=[];
Tminima=[];
Tmaxima=[];
for variavel=1:(comprimento_final-comprimento_inicial+1)
temp_media=mean(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
temp_minima=min(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
temp_maxima=max(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
Tmedia=[Tmedia;temp_media];
Tminima=[Tminima;temp_minima];
Tmaxima=[Tmaxima;temp_maxima];
end
temperatura_media=Tmedia;
temperatura_minima=Tminima;
temperatura_maxima=Tmaxima;
temperatura_ambiente_inicial=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial;
temperatura_ambiente_final=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final;
temperatura_experimento_inicial=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_inicial;
temperatura_experimento_final=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_experimento_final;
%% Escolhas dos pontos para plotar as Temperaturas
% Definir aqui os pontos 13 pontos (crescente):
%pontos=[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13]; <--- modelo
pontos=[1 4 7 11 14 17 21 24 27 31 34 36 38];
plot(time, M(pontos(1),tempo_inicial:tempo_final),'b--')
hold on
plot(time, M(pontos(2),tempo_inicial:tempo_final),'g-')
plot(time, M(pontos(3),tempo_inicial:tempo_final),'r:')
plot(time, M(pontos(4),tempo_inicial:tempo_final),'k-.')
plot(time, M(pontos(5),tempo_inicial:tempo_final),'c--')
plot(time, M(pontos(6),tempo_inicial:tempo_final),'m-')
plot(time, M(pontos(7),tempo_inicial:tempo_final),'b:')
plot(time, M(pontos(8),tempo_inicial:tempo_final),'g-.')
plot(time, M(pontos(9),tempo_inicial:tempo_final),'r--')
plot(time, M(pontos(10),tempo_inicial:tempo_final),'k-')
plot(time, M(pontos(11),tempo_inicial:tempo_final),'c:')
plot(time, M(pontos(12),tempo_inicial:tempo_final),'m-.')
82
plot(time, M(pontos(13),tempo_inicial:tempo_final),'b-')
title([' Temperatura dos pontos ao longo do tempo '],'FontSize',20)
xlabel('Tempo em minutos','FontSize',20')
legend(['Base ',num2str(pontos(1))],['Ponto ',num2str(pontos(2))],['Ponto
',num2str(pontos(3))],...
['Ponto ',num2str(pontos(4))],['Ponto ',num2str(pontos(5))],['Ponto
['Topo ',num2str(pontos(13))])
grid on % malha
%% axis square % desenho quadrado
hold on
hold on
hold on
hold on
hold on
plot(temperatura_experimento_inicial,'ks-')
hold on
plot(temperatura_experimento_final,'bd-')
hold on
title([' Temperaturas MÁXIMA,MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre os minutos ',...
num2str(tempo_inicial),' e ',num2str(tempo_final)],'FontSize',20)
xlabel('Pontos','FontSize',20)
grid on
legend(['máxima'],['mínima'],['média'],['amb inicial'],['amb final'], ['exp inicial'],['exp
final'])
%% axis square
%% axis equal
83
APÊNDICE D – TABELAS DE DADOS DE TEMPO E TEMPERATURA DO
EXPERIMENTO 2
84
85
86
87
APÊNDICE E – ALGORÍTMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 2, PARA
GERAÇÃO DOS GRÁFICOS DE TEMPERATURA x SEÇÃO DA FIBRA x
REPETIÇÕES
1º. GRÁFICO – TEMPERATURA x SEÇÃO DA FIBRA x REPETIÇÕES
ARQUIVO : Sitio_Ubirajara.m
function [Referencia Aquecimento Trechos x1
x2]=Sitio_Ubirajara(graf_1,graf_2,graf_3,graf_4,graf_5,inicio_aquec,fim_aquec)
close all
clc
load Temperaturas
[tempo metros]=size(Temperaturas);
%% Declaração dos comprimentos
inicio_ref_A = 30;%round(12.50);
fim_ref_B = 35;%round(32.80);
ponto_da_fibra_D
= 54;% base do modelo(55.1);
ponto_da_fibra_E
= 92;% topo do modelo(93.9);
inicio_ref_F = 30;% início da referência metro 10;
fim_ref_G = 35;% final da referência metro 50;
%% Declaração dos tempos
fim_tempo_ref=80;
tempo_ref=1:fim_tempo_ref;
tempo_aquec=inicio_aquec:fim_aquec;
%% Matrizes
Referencia = Temperaturas(ponto_da_fibra_D:ponto_da_fibra_E,tempo_ref);
Aquecimento = Temperaturas(ponto_da_fibra_D:ponto_da_fibra_E,tempo_aquec);
%% Padronização
Media_Ref=mean(Referencia');
Aquec_Padrao=[];
for tempo=1:(fim_aquec-inicio_aquec+1)
Aquec_Padrao=[Aquec_Padrao abs(Aquecimento(:,tempo)-Media_Ref')];
end
Media_Aquec_Padrao=mean(Aquec_Padrao');
%% Análise dos trechos
[l c]=size(Media_Aquec_Padrao);
deltaP=[];
for j=1:1:(c-1)
deltaP=[deltaP; Media_Aquec_Padrao(j) - Media_Aquec_Padrao(j+1)];
deltaP=abs(deltaP);
end
deltaP;
deltacrescenteP=sort(deltaP);
maxdeltaP1=deltacrescenteP(c-1);
maxdeltaP2=deltacrescenteP(c-2);
t1=find(deltaP==maxdeltaP1);
t2=find(deltaP==maxdeltaP2);
Trechos=[t1 t2];
88
%% Análise da quantidade de água
x1=2.04*(Media_Aquec_Padrao(t1+1)-Media_Aquec_Padrao(t1))/...
(Media_Aquec_Padrao(t1+2)-Media_Aquec_Padrao(t1));
x2=2.04*(Media_Aquec_Padrao(t2+1)-Media_Aquec_Padrao(t2+2))/...
(Media_Aquec_Padrao(t2)-Media_Aquec_Padrao(t2+2));
%% Gráficos
if graf_1==1
Temp_Ref=Temperaturas(inicio_ref_A:fim_ref_B,tempo_ref);
figure('Color',[1 1 1])
xx = 0:.25:fim_tempo_ref;
suavizacao=spline(tempo_ref,Temp_Ref,xx);
plot(xx,suavizacao)
xlabel tempo
ylabel ºC
axis square
title ('Temperaturas da Referência 1')
end
%%
if graf_2==1
Temp_Ref=Temperaturas(inicio_ref_F:fim_ref_G,tempo_ref);
suavizacao=spline(tempo_ref,Temp_Ref,xx);
plot(xx,suavizacao)
xlabel tempo
ylabel ºC
axis square
title ('Temperaturas da Referência 2')
end
%%
if graf_3==1
Temp_Aquec=Temperaturas(ponto_da_fibra_D:ponto_da fibra_E,tempo_ref);
suavizacao=spline(tempo_ref,Temp_Aquec,xx);
plot(xx,suavizacao)
hold on
plot(tempo_ref,Temp_Aquec);
xlabel tempo
ylabel ºC
axis square
title ('Temperaturas de referência da fibra óptica')
end
%%
if graf_4==1
Temp_Aquec=Temperaturas(ponto_da_fibra_D:ponto_da_fibra_E,tempo_aquec);
xx = inicio_aquec:.25:fim_aquec;
suavizacao=spline(tempo_aquec,Temp_Aquec,xx);
plot(xx,suavizacao)
89
hold on
plot(tempo_aquec,Temp_Aquec);
xlabel tempo
ylabel ºC
axis square
title ('Temperaturas da fibra óptica')
end
%%
if graf_5==1
hold on
for tempo=inicio_aquec:fim_aquec
Temp_Aquec=Temperaturas(ponto_da_fibra_D:dreno_E,inicio_aquec:tempo+1);
surf(Temp_Aquec,Temp_Aquec);
xlabel ('Quantidade de Repetições','fontsize',20)
ylabel ( 'Pontos da Fibra','fontsize',20)
zlabel ( 'Temperatura em ºC','fontsize',20)
axis square
colorbar
title ('Temperaturas ','fontsize',20)
view([0 90]);%view([-36 20]);
shading interp
Filme(tempo) = getframe;
end
end
90
APÊNDICE F – ALGORÍTMO EM MATLAB PARA O EXPERIMENTO 2, PARA
GERAÇÃO DOS GRÁFICOS DE TEMPERATURAS AMBIENTE, DA ÁGUA E DA
FIBRA
2º. GRÁFICO – TEMPERATURAS AMBIENTE, DA ÁGUA e DA FIBRA
ARQUIVO : Gráficos_Exp_2
%% Programa Sem passo
%% Esse programa prepara as matrizes base dos experimentos
%% e plota os gráficos de temperaturas (valores, médias, máximas, etc)
load Temperaturas
%% Primeira etapa - >>>> Carregando a matriz base
disp('Carregando a matriz base')
clc
close all
load Temperaturas
%% Definição dos parâmetros de comprimento para análise
comprimento_inicial=55; % Base do tubo
% Topo do tubo
% Sem pre citar com a diferença entre os comprimentos, pois,
% os pontos para plotagem dependem nesse caso das 38 linhas.
disp('Matriz que contém as linhas de comprimentos por todos os tempos')
disp('(comprimento_inicial:comprimento_final x todos os tempo)')
Matriz_Cortada=Temperaturas(comprimento_inicial:comprimento_final,:);
%% Após rodar o programa do frame01, alterar o nome da matriz (2 Aquis)!!
MSpasso_04_10_2012=Matriz_Cortada; % Aqui
save MSpasso_04_10_2012; % Aqui
disp('Salvando a matriz já cortada')
%% comprimento: 1,02 e cada coluna representa cada minuto de tempo.
%% Só altera aqui:
M=Matriz_Cortada;
%% Alterar o dia aqui - Matriz do dia do experimento
tempo_inicial=180; %% <---------------------Alterar tempo inicial referente a 1a.
repetição
tempo_final=260;%% <--------------------Alterar tempo final referente a última repetição
Temperatura_agua_inicial=19.60
% Alterar temperatura experimento inicial
Temperatura_agua_final=27.50
%% Daqui para baixo não altera
[metros minutos]=size(M);
Tmedia=[];
Tminima=[];
Tmaxima=[];
for variavel=1:(comprimento_final-comprimento_inicial+1)
temp_media=mean(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
91
temp_minima=min(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
temp_maxima=max(M(variavel,tempo_inicial:tempo_final))';
Tmedia=[Tmedia;temp_media];
Tminima=[Tminima;temp_minima];
Tmaxima=[Tmaxima;temp_maxima];
end
temperatura_media=Tmedia;
temperatura_minima=Tminima;
temperatura_maxima=Tmaxima;
temperatura_ambiente_inicial=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_inicial;
temperatura_ambiente_final=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_ambiente_final;
Temperatura_agua_inicial=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_agua_inicial;
Temperatura_agua_final=ones((comprimento_finalcomprimento_inicial+1),1)*Temperatura_agua_final;
%% Escolhas dos pontos para plotar as Temperaturas
% Definir aqui os pontos 13 pontos (crescente):
%pontos=[1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13]; <--- modelo
pontos=[1 4 7 10 13 16 19 22 26 29 32 35 38];
plot(time, M(pontos(1),tempo_inicial:tempo_final),'bo-')
hold on
plot(time, M(pontos(2),tempo_inicial:tempo_final),'gs-')
plot(time, M(pontos(3),tempo_inicial:tempo_final),'rx-')
plot(time, M(pontos(4),tempo_inicial:tempo_final),'kv--')
plot(time, M(pontos(5),tempo_inicial:tempo_final),'bs-')
plot(time, M(pontos(6),tempo_inicial:tempo_final),'go:')
plot(time, M(pontos(7),tempo_inicial:tempo_final),'rv-')
plot(time, M(pontos(8),tempo_inicial:tempo_final),'ks-.')
plot(time, M(pontos(9),tempo_inicial:tempo_final),'bp-')
plot(time, M(pontos(10),tempo_inicial:tempo_final),'go-')
plot(time, M(pontos(11),tempo_inicial:tempo_final),'rv-')
plot(time, M(pontos(12),tempo_inicial:tempo_final),'kx-')
plot(time, M(pontos(13),tempo_inicial:tempo_final),'bs--')
title([' Temperatura dos pontos ao longo do tempo '])
xlabel('repetições de 15 em 15 seg)')
ylabel('Temperatura em ºC')
legend(['Base ',num2str(pontos(1))],['Ponto ',num2str(pontos(2))],['Ponto
['Topo ',num2str(pontos(13))])
grid on % malha
%% axis square % desenho quadrado
92
hold on
hold on
hold on
hold on
hold on
plot(Temperatura_agua_inicial,'ks-')
hold on
plot(Temperatura_agua_final,'bd-')
hold on
title([' Temperatura MÁXIMA, MÉDIA e MÍNIMA dos pontos entre as repetições ',...
num2str(tempo_inicial),' e ',num2str(tempo_final)],'FONTSIZE',18)
xlabel('Pontos da fibra','FONTSIZE',20)
ylabel('Temperatura em ºC','FONTSIZE',20)
grid on
legend(['máxima'],['mínima'],['média'],['amb inicial'],['amb final'], ['água inicial'],['água
final'])
%% axis square
%% axis equal

Dissertação - Institutos Lactec

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